WO2010108605A2 - Fuel cell system having at least one fuel cell - Google Patents

Fuel cell system having at least one fuel cell Download PDF

Info

Publication number
WO2010108605A2
WO2010108605A2 PCT/EP2010/001551 EP2010001551W WO2010108605A2 WO 2010108605 A2 WO2010108605 A2 WO 2010108605A2 EP 2010001551 W EP2010001551 W EP 2010001551W WO 2010108605 A2 WO2010108605 A2 WO 2010108605A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
region
cell system
recirculation line
valve
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/001551
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
WO2010108605A3 (en
Inventor
Thorsten Tüxen
Cosimo Mazzotta
Thomas Baur
Klaus Scherrbacher
Matthias Jesse
Original Assignee
Daimler Ag
Ford Global Technologies, Llc
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, Ford Global Technologies, Llc filed Critical Daimler Ag
Publication of WO2010108605A2 publication Critical patent/WO2010108605A2/en
Publication of WO2010108605A3 publication Critical patent/WO2010108605A3/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K21/00Fluid-delivery valves, e.g. self-closing valves
    • F16K21/02Fluid-delivery valves, e.g. self-closing valves providing a continuous small flow
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04104Regulation of differential pressures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Fuel cell system with at least one fuel cell
  • the invention relates to a fuel cell system having at least one fuel cell according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a fuel cell system, as well as a use thereof.
  • Such a construction of a fuel cell system with a recirculation line for returning the anode exhaust gas into the anode inlet is known, for example, from DE 101 15 336 A1.
  • anode loop nitrogen and water accumulate in the recirculated anode exhaust gas over time. Therefore, it is known from the general state of the art and described in the above-mentioned document that in the region of the recirculation line valve devices are arranged, which are opened from time to time to the nitrogen from the area of the recirculation line and the area of the anode space to blow off accordingly.
  • the "disposal" of this waste gas from the region of the anode loop can take place in different regions which typically each have a catalytic surface or are in connection with another component which has such a catalytic surface is therefore common because together with the nitrogen there will always also be a small amount of hydrogen in the vented gas, which can be rendered harmless in this way ..
  • DE In order to be able to remove the product water of the fuel cell arising in the region of the anode exhaust gas, DE Furthermore, a water separator in the region of the recirculation line is described.
  • the above construction requires at least one valve device for blowing off the nitrogen (purge) and at least one further valve device for the purge Draining the accumulated in the water separator (drain).
  • the components cause additional effort in terms of their control and any necessary sensor technology.
  • corresponding line elements must be present from the valve devices into the respective areas into which the media are discharged. This requires corresponding components and corresponding installation space. To be able to ensure a safe start and secure functionality of the system even at temperatures below freezing, these line elements must also be made correspondingly insulated and / or heated. This also causes great expense in terms of cost, complexity and weight in the fuel cell system shown above.
  • this structure can also be used to allow gas to flow from the region of the anode into the region of the cathode, namely whenever the pressure conditions are reversed (purge).
  • This is also used in the structure according to DE 103 11 785 A1, for example, to blow off the resulting carbon dioxide, or in the case of an anode loop, the nitrogen which accumulates, together with the carbon dioxide, into the region of the cathode.
  • the discharge of the media will generally take place via the overflow path, which is provided with a correspondingly narrow cross section.
  • a shutter or the like may be integrated into the overflow path to firmly set a corresponding cross section which matches the volumetric flows in the present fuel cell system.
  • the opening of the switchable flow path of the valve is typically always carried out only when necessary, that is, for example, if there is too low a hydrogen concentration in the region of the recirculation line and / or the anode compartment in order to realize the required power generation in the fuel cell of the fuel cell system.
  • By opening the switchable flow path drain water is then expelled very quickly and the purge function is started very quickly.
  • valve devices may be provided in the region of the recirculation line and / or the anode compartment.
  • the construction can be realized in a particularly efficient, simple and cost-effective manner if exactly one valve device is provided in the region of the recirculation line and / or the anode chamber according to a particularly favorable embodiment of the invention.
  • About this one valve device as a combined drain / purge valve can then be realized with minimal effort in terms of space, the sensor and the control a very simple, compact and efficient design. Due to the fürströmwegs in the valve device, it comes to a continuous outflow, first of the water and then a corresponding amount of gas. This can be dispensed with elaborate sensors, such as level sensors, for the water level. On the one hand, this saves costs and, on the other hand, makes it possible to free oneself of possible malfunctions of the very slightly polluting level sensors.
  • the overflow path can have a solid cross-section which is predetermined by the fuel cell system and can be flowed through.
  • this souströmbare cross section is designed as a diaphragm, wherein the diaphragm is realized as a flexible diaphragm whose opening cross-section changes automatically depending on the pressure difference on the two sides of the diaphragm.
  • a flexible diaphragm is still a passive device which does not require active driving or the like. It is therefore still very easy to implement cost-effectively and without the problem of malfunction.
  • the structure may for example be constructed in the form of a membrane, which deflects depending on the pressure difference between the one side and the other side accordingly. If one or more openings are now provided in the region of the membrane, its cross-section will be correspondingly larger in the case of a deflected membrane than in the case of a membrane that is not deflected. In extreme cases, it is thus possible to close the overflow path when the system is turned off so that, for example, no gases are exchanged between the areas connected via the valve device via the overflow path.
  • the membrane Only when the system is put into operation and a corresponding pressure difference between the one side and the other side occurs, the membrane will deform accordingly in the direction of lower pressure and the flexible diaphragm creates the flow-through opening cross-section, which flows through the overflow, for example allowed by drain water and purge gas.
  • the region of the recirculation line in this case has a water separator, wherein the valve device is arranged in the outlet region of the water separator.
  • the merging of drain and purge can be realized particularly efficiently in a single component. Separated water collects in the water separator, so that it can be assumed that the largest Amount of present in the region of the recirculation line and / or the anode chamber water collects in the region of this separator.
  • the valve device In the outflow region of the separator, typically in the direction of gravity below, the valve device is then arranged, which allows by its Kochströmweg a continuous outflow of water.
  • the construction with the water separator can do without the pollution-critical and cost-intensive level sensors, as a continuous flow of the accumulating water is ensured via the overflow.
  • the diameter of the overflow With appropriate selection of the diameter of the overflow so a very simple and efficient structure can be achieved, in which only minimal amounts of hydrogen flow from the recirculation line.
  • the structure according to the invention in such a way that media in two different states of aggregation are discharged via the valve device. Due to the nature of the liquids and the gases, with a suitable arrangement of the valve device, preferably in a water separator, the drainage function will always be carried out first until no more water is present in the corresponding lines to the valve device. Only after the water has flowed out via the valve device will there be a blow off of gases from the region of the recirculation line and / or the anode chamber.
  • the switchable flow path of the valve device in normal operation is not or only in exceptional circumstances, such as the operation of the Fuel cell system with high electrical power, opened accordingly. Therefore, it is provided according to a particularly favorable and advantageous development of the method that the switchable flow path of the valve device is always opened only when the hydrogen concentration in the recirculation line and / or the anode compartment falls below a predetermined value.
  • the drop in hydrogen concentration indicates the presence of a large volume of inert gas, especially nitrogen. If this is the case, then a very fast blowing off of this gas can be achieved by opening the switchable flow path. Only in such cases, therefore, the opening of the switchable flow path, so that losses of hydrogen from the region of the recirculation line and / or the anode compartment can be largely minimized.
  • the structure of the fuel cell system according to the invention and the operation of the method according to the invention are characterized in particular by simplicity, reliability and compactness. Therefore, both the fuel cell system and the method of operating such a system are particularly suitable for use in land, water and air transport. Since such means of transport, in particular passenger cars, are always realized under high cost pressure and rather small available installation space, these advantages play a particularly important role here.
  • the fuel cell system can typically provide the drive energy for such a means of transport, but it is also conceivable to generate only electrical energy for auxiliary drives via the fuel cell system, while the propulsion energy is otherwise obtained, for example, by internal combustion engines, turbomachines or the like.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell system in a possible
  • FIG. 2 shows a structure of a valve device in a first embodiment according to the invention
  • FIG. 3 shows a structure of a valve device in a second embodiment according to the
  • FIG. 4 shows a structure of a valve device in a third embodiment according to the
  • FIG. 5 shows a construction of a flow path with a flexible diaphragm.
  • a fuel cell system 1 is indicated in highly schematic form in a section relevant to the present invention.
  • the most important component of the fuel cell system 1 is a fuel cell 2, which is typically designed as a stack of individual fuel cells, as a so-called fuel cell stack.
  • the fuel cell 2 has an anode space 3 and a cathode space 4, which in the exemplary embodiments illustrated here should each be separated from one another by a proton-conducting membrane.
  • the fuel cell 2 is therefore a so-called PEM fuel cell stack.
  • the anode compartment 3 of the fuel cell 2 is supplied with hydrogen from the hydrogen storage device 5 from a hydrogen storage device 5 via a metering valve 6 and a line element.
  • unreacted hydrogen passes via a recirculation line 7 back into the region in which the fresh hydrogen flows via the metering valve 6 to the anode chamber 3.
  • the recirculation line 7 thus leads in a manner known per se unused gas from the region of the anode chamber 3 back into the anode space, wherein the gas mixed with fresh hydrogen from the hydrogen storage device 5.
  • a recirculation conveyor 8 is arranged in the region of the recirculation line 7, which ensures the return of the unused gas from the anode chamber 3.
  • the recirculation conveyor 8 can be designed as a hydrogen recirculation fan, as indicated in FIG. Additionally or alternatively, a gas jet pump would be conceivable, which is driven by the hydrogen from the hydrogen storage device 5, and sucks the gas from the region of the recirculation line 7, mixed with the fresh hydrogen and the anode chamber 3 feeds.
  • the cathode compartment 4 of the fuel cell 2 is supplied with air in the exemplary embodiment shown here.
  • the oxygen contained in the air serves as an oxidizing agent for the chemical reaction in the interior of the fuel cell 2 and forms together with the Hydrogen in a conventional manner, water, wherein electric power is released, which can be tapped at the fuel cell 2 accordingly.
  • the air for the cathode compartment 4 is compressed accordingly via an air conveyor 9 and fed to the cathode compartment 4.
  • the air conveyor 9 can be designed as a compressor, for example as a screw compressor.
  • the air conveying device 9 should be designed as a flow compressor, which is combined via a shaft with an electric machine 10 and a turbine 11.
  • ETC Electric Turbo Charger
  • the air conveyor 9 can then be operated via the turbine 11 or the operation can be supported at least via the turbine 11. The remaining energy remaining, or if the turbine 11 does not provide energy all the energy for driving the air conveyor 9, can also be provided via the electric machine 10.
  • the electric machine 10 can be operated as well as a generator to convert this resulting mechanical energy into electrical energy, which then in example, a battery of the fuel cell system 1 is stored accordingly or other electrically operated ancillaries can be provided.
  • a water separator 12 In the region of the recirculation line 7, a water separator 12 is also provided, which during operation liquid water, which accumulates in the region of the anode chamber 3 and is discharged via the recirculation line 7, collects. This liquid water can thus not clog gas ducts and the like in the region of the anode compartment 3, so that its safe and reliable operation can be guaranteed.
  • a valve device 13 In the region of the water separator 12, a valve device 13 is provided in the outlet region of the water separator 12, typically in the direction of gravity below, for discharging this water.
  • This valve device 13, which is the core of the one described here Represents system structure, it has a special design, which will be discussed later on comprehensive.
  • a further component 14 is also arranged, which is flowed through by both the supply air flow to the cathode compartment 4 and the exhaust air flow from the cathode compartment 4.
  • This component 14 is intended to be a combined intercooler and humidifier. In principle, it would also be conceivable to design the two components individually one after the other.
  • the task of the component 14 is to cool and humidify the air which is comparatively hot and dry after the air conveying device 9 with the rather cold and moist exhaust air from the cathode chamber 4.
  • the two gas streams flow through the component 14 in separate regions, which are separated from one another by means of partitions which are at least partially permeable to heat and water vapor.
  • the heat of the compressed supply air can be transferred to the exhaust air.
  • moisture present in the exhaust air which is there due to the product water produced primarily in the region of the cathode compartment 4
  • the dry supply air so that it flows into the cathode compartment 4 in a correspondingly humidified manner and thus does not damage the sensitive membranes.
  • the advantage of the structure with the turbine 11 is that used in the component 14 from the supply air flow to the exhaust air flow energy used in the area of the turbine 11 and at least partially made available again for the air conveyor 9 available.
  • the fuel cell system 1 according to FIG. 1 also shows an electronic control system
  • the sensors 16 and 17 should represent corresponding pressure sensors, while the sensor 18 a
  • the control electronics 15 is connected in a conventional manner with the fuel cell 2 itself and can monitor the functionality of the entire fuel cell system 1 and control or regulate. When used in a vehicle, the control electronics 15 is also with a vehicle control unit are in communication in order to implement the corresponding requirements of the vehicle to the fuel cell system 1, for example, by the fuel cell system 1, the power demand imposed by the vehicle accordingly. Thus, the desired propulsion energy can be generated by the Bren ⁇ stoffzellensystem 1, if this provides at least a portion of the drive power for the motor vehicle. In equally conceivable use of the fuel cell system 1 as auxiliary power system, a corresponding request could be made by the electrical auxiliary unit of the vehicle, for example an air conditioning system or a corresponding electronic component.
  • valve device 13 has two flow paths, namely a switchable flow path 19 with a valve element 20 and an overflow path 21, which in the exemplary embodiment shown here is intended to have a fixed predetermined flow-through cross-section via an orifice 22.
  • the switchable flow path 19 and the overflow 21 are guided in parallel in the valve device 13, so that even when the valve 20 is closed, a flow through the overflow 21, which could also be referred to as a bypass, may occur.
  • the water separator 12 is now connected to the region of the supply air to the cathode chamber 4.
  • the water separator After the water separator is correspondingly empty through the Kochströmweg 21, so that the water in it was largely drained, also a part of the gas from the region of the recirculation line 7 is blown over the Kochströmweg 21 of the valve means 13, which also in the supply air reaches the cathode compartment 4.
  • This gas will primarily consist of inert gases, especially nitrogen. In general, however, a small amount of hydrogen will be included. This is mixed in the supply air to the cathode compartment 4 according to the supply air. At the present in the cathode compartment 4 catalysts, the mixture of oxygen and residual hydrogen in the purge gas can then react to water without the exhaust duct from the cathode compartment 4 emissions of hydrogen to the environment would be feared.
  • an opening of the valve 20 in the switchable flow path 19 can be controlled so that it takes place at a time in which the appropriate conditions in the cathode compartment 4, so on the one hand the introduced moisture and on the other hand can be reacted accordingly with introduced residual hydrogen in the purge gas in the cathode chamber 4, without affecting the operation of the fuel cell 2 massively.
  • the hydrogen concentration in the region of the recirculation line 7 can be used. Such can, as exemplified here, be measured in accordance with a hydrogen concentration sensor 18 and processed in the control electronics 15.
  • opening of the valve 20 can also take place if a corresponding amount of water is present in the region of the water separator 12 and the recirculation line 7. Since it is intended to dispense with the typically very sensitive level sensors in the region of the water separator 12, a corresponding deterioration of the fuel cell performance or simply a time-controlled opening of the valve 20 for the drain can then be provided.
  • the orifice 22 is selected with regard to its permeable diameter in accordance with the respective system conditions of the present fuel cell system 1.
  • the flow factor must be chosen so that always the best possible drainage of the water is guaranteed and that in coordination with the volume flow in the recirculation line 7 is also ensured that only a small amount of hydrogen via the overflow 21 from the area of the anode space. 3 and the recirculation line 7 is discharged.
  • a smaller aperture will be used than in a large fuel cell system 1 with larger volume flows through the fuel cell 2.
  • valve device 13 can be realized as shown in FIG. In this case, both a construction with a valve 20 and a bypass line placed around it as Kochströmweg 21 is conceivable.
  • the overflow 21 may also be integrated into the valve 20, for example as a bypass channel in the valve housing.
  • Figures 3 and 4 show possible embodiments of such a valve device 13.
  • the illustration of Figure 3 and Figure 4 shows a valve housing 23, in which by way of example a valve seat 24 and a valve seat 24 corresponding with this valve stem 25 are shown.
  • valve stem 25 can be moved accordingly, so that between the valve stem 25 and the valve seat 24, a flow-through cross section is released.
  • the valve stem 25 can be moved according to magnetic forces, for example, so that a solenoid valve is present.
  • a groove 27 is provided in the valve stem 25 in the valve stem 25, a groove 27 is provided. Through this groove 27 as a recess of the overflow 21 is formed even when the valve 20 is closed, that is, whenever the valve stem 25 - as shown in Figures 3 and 4 - abuts the valve seat 24.
  • the groove 27 can be provided in each case once or several times in the valve lifter 25. Their cross-section defines the flow factor and replaces the aperture 22 shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is essentially analogous to the representation in FIG. 3.
  • a bore 28 is mounted in the valve stem 25.
  • the bore 28 allows a small amount of medium to flow continuously through the valve means 13, even when the valve 20 is closed and the valve stem 25 sealingly abuts the valve seat 24.
  • a plurality of holes 28 can be provided analogously to the example shown above.
  • the structure of the fuel cell system 1 in the embodiment shown here is now comparatively critical with regard to the design of the overflow path 21, since, as already mentioned several times, this must be designed such that no more hydrogen is emitted the area of the recirculation line 7 is lost as absolutely necessary. However, it is the case that different amounts of water and nitrogen in the region of the recirculation line 7 will occur over different operating conditions of the fuel cell system 1. It would therefore be desirable to provide different diameters of the overflow path for different operating conditions. In principle, this would be possible by providing a plurality of overflow paths in parallel, with individual overflow paths being switched on or off correspondingly via corresponding valve devices. However, this would largely consume the advantage of the small number of components and the simple system.
  • the aperture 22 is designed as a flexible aperture.
  • the aperture 22 is exemplified as such a flexible diaphragm.
  • the flexible diaphragm may be formed as an opening 29 in a membrane 30.
  • the membrane 30 itself is neither permeable to water nor to gas, so that the cross section of the overflow 21 is determined by the size of the opening 29. If a corresponding pressure, which is higher than the pressure in the region downstream of the valve device 13, in particular the pressure in the region of the cathode feed, now occurs in the region of the water separator 12, the membrane 30 will correspondingly deform and, for example, the dashed line in FIG Assume position 30 '.
  • the opening then designated 29 'becomes larger, so that the diaphragm 22 in accordance with the pressure difference between the two sides of the diaphragm 22 its corresponding opening cross-section 29, 29' changed accordingly.
  • This is done passively and without a control of the aperture 22 would be necessary for example by means of magnets or the like.
  • the process can be specifically influenced by the pressures in the region of the cathode 4 and the anode 3 are influenced accordingly via the control electronics 15, so that there is a deflection of the membrane 30, 30 'in the region of the flexible diaphragm 22.
  • the flow through the overflow 21 can be adjusted accordingly fine.
  • a larger opening of the flexible diaphragm 22 is desirable.
  • a stabilizing means 31 introduced, for example in the form of a grid or perforated plate become. This stabilizing means 31 can be designed so that the membrane 30 rests with a balanced pressure difference in the region of the stabilizing means 31.
  • the membrane is held in its position by the stabilizing means 31 and can not bulge in the direction of the recirculation line 7 and the water separator 12.
  • the opening 29 remains in its defined opening cross section, although there is a pressure difference between the two sides.
  • the stabilizing means 31 in its arrangement according to FIG. 5 does not disturb the function described above.
  • the opening 29 of the flexible diaphragm 22 is selected so that it opens only when a certain deflection of the diaphragm 30 is realized. This could then be achieved that the valve device 13 in the parked state of the fuel cell system 1, when both sides are depressurized, is closed accordingly, so it does not cause a mixture of gases in the recirculation line 7 and thus in the region of the anode chamber 3 and the gases comes in the region of the cathode compartment 4.
  • FIGS. 3, 4 and 5 are merely examples of possible embodiments for implementation. It is obvious that the person skilled in alternative embodiments are familiar, or can be easily derived by this, which meet the same purpose with a different structural design. It goes without saying that these alternative embodiments are also covered by the invention.

Abstract

The invention relates to a fuel cell system (1) comprising at least one fuel cell (2) having an anode chamber (3) and a cathode chamber (4). A recirculation line (7) is provided, through which exhaust gas from the anode chamber (3) can be returned to an area ahead of the anode chamber (3). At least one means for discharging media is provided in the area of the recirculation line (7) and/or the anode chamber (3). According to the invention, the at least one means is designed as a valve device (13) comprising a switchable flow path (19) and an overflow path (21).

Description

Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle Fuel cell system with at least one fuel cell
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung eine Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems, sowie eine Verwendung desselben.The invention relates to a fuel cell system having at least one fuel cell according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a fuel cell system, as well as a use thereof.
Ein derartiger Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einer Rezirkulationsleitung zum Zurückführen des Anodenabgases in den Anodeneingang ist beispielsweise aus der DE 101 15 336 A1 bekannt. Bei derartigen Systemen mit einer sogenannten Anodenloop reichert sich im Laufe der Zeit Stickstoff und Wasser in dem rezirkulierten Anodenabgas an. Daher ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und in der oben genannten Schrift auch so beschrieben, dass im Bereich der Rezirkulationsleitung Ventileinrichtungen angeordnet werden, welche von Zeit zu Zeit geöffnet werden, um den Stickstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und dem Bereich des Anodenraums entsprechend abzublasen. Gemäß der DE 101 15 336 A1 kann die „Entsorgung" dieses Abgases aus dem Bereich des Anodenloop in verschiedene Bereiche erfolgen, welche typischerweise jeweils über eine katalytische Oberfläche verfügen oder in Verbindung mit einer weiteren Komponente stehen, welche eine solche katalytische Oberfläche aufweist. Dieser Aufbau ist deshalb üblich, weil zusammen mit dem Stickstoff immer auch eine geringe Menge an Wasserstoff in dem abgelassenen Gas sein wird, welche auf diese Art unschädlich gemacht werden kann. Um das im Bereich des Anodenabgases anfallende Produktwasser der Brennstoffzelle abführen zu können, ist in der DE 101 15 336 A1 ferner ein Wasserabscheider im Bereich der Rezirkulationsleitung beschrieben.Such a construction of a fuel cell system with a recirculation line for returning the anode exhaust gas into the anode inlet is known, for example, from DE 101 15 336 A1. In such systems with a so-called anode loop, nitrogen and water accumulate in the recirculated anode exhaust gas over time. Therefore, it is known from the general state of the art and described in the above-mentioned document that in the region of the recirculation line valve devices are arranged, which are opened from time to time to the nitrogen from the area of the recirculation line and the area of the anode space to blow off accordingly. According to DE 101 15 336 A1, the "disposal" of this waste gas from the region of the anode loop can take place in different regions which typically each have a catalytic surface or are in connection with another component which has such a catalytic surface is therefore common because together with the nitrogen there will always also be a small amount of hydrogen in the vented gas, which can be rendered harmless in this way .. In order to be able to remove the product water of the fuel cell arising in the region of the anode exhaust gas, DE Furthermore, a water separator in the region of the recirculation line is described.
Der oben genannte Aufbau erfordert dabei wenigstens eine Ventileinrichtung für das Abblasen des Stickstoffs (Purge) und wenigstens eine weitere Ventileinrichtung für das Ablassen des in dem Wasserabscheider angesammelten Wassers (Drain). Neben dem Kostenaufwand, diese Komponenten im System vorzusehen, verursachen die Komponenten weiteren Aufwand hinsichtlich ihrer Ansteuerung und einer dafür gegebenenfalls notwendigen Sensorik. Außerdem müssen entsprechende Leitungselemente von den Ventileinrichtungen in die jeweiligen Bereiche, in die die Medien ausgetragen werden, vorhanden sein. Dies erfordert entsprechende Bauteile und entsprechenden Bauraum. Um auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts einen sicheren Start und eine sichere Funktionalität des Systems gewährleisten zu können, müssen diese Leitungselemente außerdem entsprechend isoliert und/oder beheizbar ausgebildet werden. Auch dies verursache großen Aufwand hinsichtlich Kosten, Komplexität und Gewicht in dem oben dargestellten Brennstoffzellensystem.The above construction requires at least one valve device for blowing off the nitrogen (purge) and at least one further valve device for the purge Draining the accumulated in the water separator (drain). In addition to the cost of providing these components in the system, the components cause additional effort in terms of their control and any necessary sensor technology. In addition, corresponding line elements must be present from the valve devices into the respective areas into which the media are discharged. This requires corresponding components and corresponding installation space. To be able to ensure a safe start and secure functionality of the system even at temperatures below freezing, these line elements must also be made correspondingly insulated and / or heated. This also causes great expense in terms of cost, complexity and weight in the fuel cell system shown above.
Aus der internationalen Anmeldung WO 2008/052578 A1 ist ebenfalls ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenloop bekannt, welcher hierin als Brennstoffkreis bezeichnet wird. Die Besonderheit bei diesem Aufbau besteht nun darin, dass die Funktionalität des Wasserabscheiders mit einem Ablassventil zum Ablassen des Wassers und die Funktionalität des Abblasventils zum Abblasen des stickstoffhaltigen Gases kombiniert werden. Der Aufbau sieht dabei vor, dass ein Wasserabscheider mit einer entsprechenden Ventileinrichtung versehen ist. Immer, wenn sich eine entsprechend große Menge an Wasser angesammelt hat, wird diese über die Ventileinrichtung aus dem Wasserabscheider abgelassen. Nachdem das Wasser abgelassen ist, tritt außerdem Gas aus dem Anodenloop über die Ventileinrichtung des Wasserabscheiders aus, ehe diese wieder geschlossen wird. Die Funktionalität, welche bei der oben genannten Schrift auf zwei eigene Bauteile verteilt war, wird dadurch in einem einzigen Bauteil integriert.International Application WO 2008/052578 A1 likewise discloses a fuel cell system with an anode loop, which is referred to herein as a fuel circuit. The special feature of this design is that the functionality of the water separator with a drain valve for discharging the water and the functionality of the blow-off valve for blowing off the nitrogen-containing gas are combined. The structure provides that a water separator is provided with a corresponding valve device. Whenever a correspondingly large amount of water has accumulated, it is drained from the water separator via the valve device. In addition, after the water is drained, gas exits the anode loop via the valve means of the water separator before it is closed again. The functionality, which was distributed in the above-mentioned writing on two separate components, is thereby integrated into a single component.
Dieser Aufbau stellt bereits eine deutliche Verbesserung gegenüber dem oben genannten Aufbau dar. Allerdings ist auch hier weiterhin ein entsprechender Sensor zur Erfassung des Wasserstands in dem Abscheider notwendig. Die Erfahrung in der Praxis hat gezeigt, dass dieser Sensor extrem leicht mit Ablagerungen aus dem Brennstoffzellensystem verschmutzt wird, und dass dies sehr häufig zu einer Fehlfunktion des Sensors und damit zu einem zu häufigen oder auch zu seltenen Ablassen des anfallenden Wassers führt. Auch dies ist hinsichtlich der Betriebssicherheit eines solchen Systems entsprechend problematisch. Außerdem stellt die Verwendung eines derartigen Sensors immer auch einen gewissen Aufwand dar, da insbesondere ein Füllstandssensor im Wasserabscheider typischerweise in Form von zwei einzelnen Sensoren ausgebildet sein muss, was wiederum mit den entsprechenden Kosten verbunden ist.This structure already represents a significant improvement over the above-mentioned construction. However, a corresponding sensor for detecting the water level in the separator is also necessary here. Experience in practice has shown that this sensor is extremely easily contaminated with deposits from the fuel cell system, and that very often leads to a malfunction of the sensor and thus too frequent or too rare discharge of the accumulated water. Again, this is correspondingly problematic in terms of reliability of such a system. In addition, the use of such a sensor always represents a certain amount of effort, especially since a level sensor in Water separator typically has to be designed in the form of two individual sensors, which in turn is associated with the corresponding costs.
Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist ferner die DE 103 11 785 A1 bekannt. Darin ist eine Verbindung des Kathodenbereichs mit dem Anodenbereich einer Brennstoffzelle beschrieben, insbesondere einer Brennstoffzelle, welche mit einem wasserstoffhaltigen Gas aus einer Gaserzeugungseinrichtung betrieben wird. Derartiger Wasserstoff weist üblicherweise eine gewisse Verunreinigung mit Kohlenmonoxid auf, welche dem Katalysator im Bereich des Anodenraums schadet. Daher wird über die Verbindung bei Bedarf Luft in den Wasserstoff eingebracht, welcher dieses Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert und damit die Menge des für den Katalysator schädlichen Kohlenmonoxids minimiert. Die Ansteuerung erfolgt dabei über einen entsprechenden Druckunterschied zwischen dem Bereich der Anode und dem Bereich der Kathode, sodass bei geringerem Druck im Bereich der Anode Luft über die Öffnung in den Bereich der Anode strömt (Airbleed). Andersherum kann dieser Aufbau auch dazu genutzt werden, Gas aus dem Bereich der Anode in den Bereich der Kathode strömen zu lassen, nämlich immer dann, wenn die Druckverhältnisse umgekehrt sind (Purge). Auch dies wird in dem Aufbau gemäß der DE 103 11 785 A1 genutzt, um beispielsweise das entstehende Kohlendioxid, oder im Falle eines Anodenloop den sich anreichernden Stickstoff zusammen mit dem Kohlendioxid in den Bereich der Kathode abzublasen.From the further general state of the art DE 103 11 785 A1 is also known. Therein a connection of the cathode region to the anode region of a fuel cell is described, in particular a fuel cell, which is operated with a hydrogen-containing gas from a gas generating device. Such hydrogen usually has some contamination with carbon monoxide, which damages the catalyst in the region of the anode space. Therefore, if necessary, air is introduced into the hydrogen via the compound, which oxidizes this carbon monoxide to carbon dioxide and thus minimizes the amount of carbon monoxide harmful to the catalyst. The control takes place via a corresponding pressure difference between the region of the anode and the region of the cathode, so that at lower pressure in the region of the anode air flows through the opening in the region of the anode (Airbleed). On the other hand, this structure can also be used to allow gas to flow from the region of the anode into the region of the cathode, namely whenever the pressure conditions are reversed (purge). This is also used in the structure according to DE 103 11 785 A1, for example, to blow off the resulting carbon dioxide, or in the case of an anode loop, the nitrogen which accumulates, together with the carbon dioxide, into the region of the cathode.
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenloop zu schaffen, bei welchem mit minimalem Aufwand an Bauteilen und geringen Kosten Medien aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums sicher und zuverlässig ausgetragen werden können.It is now the object of the present invention to provide a fuel cell system with an anode loop, in which with minimal expenditure on components and low costs media from the area of the recirculation line and / or the anode compartment can be safely and reliably discharged.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben eines solchen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch 13 angegeben. Eine bevorzugte Verwendung für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und/oder das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 18 genannt. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dadurch, dass das wenigstens eine Mittel gemäß der Erfindung als Ventileinrichtung ausgebildet ist, welche neben ihrem üblicherweise vorhandenen schaltbaren Strömungsweg auch einen Überströmweg aufweist, entsteht eine Ventileinrichtung mit einem Bypass. Diese Ventileinrichtung mit Bypass wird erfindungsgemäß nun dazu genutzt, sowohl den Purge als auch den Drain in einer einzigen erfindungsgemäßen Ventileinrichtung zu integrieren. Damit entsteht ein sehr einfacher und kompakter Aufbau. Im üblicherweise vorliegenden Betrieb wird der Austrag der Medien im Allgemeinen über den Überströmweg stattfinden, welcher mit einem entsprechend engen Querschnitt versehen ist. Außerdem kann beispielsweise eine Blende oder dergleichen in den Überströmweg integriert werden, um einen entsprechenden Querschnitt fest vorzugeben, welcher zu den Volumenströmen in dem vorliegenden Brennstoffzellensystem passt. Damit kann eine und dieselbe Ventileinrichtung für verschieden große Brennstoffzellensysteme eingesetzte werden, indem einfach die Blende ausgetauscht wird. Dabei ist darauf zu achten, dass der Durchflussfaktor (kv-Wert) für den Überströmweg bzw. Bypass passend zum jeweiligen Brennstoffzellensystem so ausgelegt ist, dass keine allzu hohen Wasserstoffkonzentrationen in dem abgelassenen Gas auftreten.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. A method of operating such a fuel cell system according to the invention is indicated by the features in the characterizing part of claim 13. A preferred use for the fuel cell system according to the invention and / or the method according to the invention is mentioned in claim 18. The respective dependent claims describe advantageous embodiments and further developments of the invention. Characterized in that the at least one means according to the invention is designed as a valve device which also has an overflow in addition to their usually existing switchable flow path, a valve device is formed with a bypass. This valve device with bypass is now used according to the invention to integrate both the purge and the drain in a single valve device according to the invention. This creates a very simple and compact design. In usually present operation, the discharge of the media will generally take place via the overflow path, which is provided with a correspondingly narrow cross section. In addition, for example, a shutter or the like may be integrated into the overflow path to firmly set a corresponding cross section which matches the volumetric flows in the present fuel cell system. Thus, one and the same valve device for different sized fuel cell systems can be used by simply replacing the panel. It is important to ensure that the flow factor (kv value) for the overflow or bypass suitable for the respective fuel cell system is designed so that no too high hydrogen concentrations occur in the gas discharged.
Das Öffnen des schaltbaren Strömungswegs des Ventils wird typischerweise immer nur dann erfolgen, wenn dies notwendig ist, also beispielsweise wenn im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums eine zu geringe Wasserstoffkonzentration vorliegt, um die erforderliche Stromerzeugung in der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems realisieren zu können. Durch ein Öffnen des schaltbaren Strömungswegs wird dann Drainwasser sehr schnell ausgetrieben und die Purgefunktion sehr schnell gestartet.The opening of the switchable flow path of the valve is typically always carried out only when necessary, that is, for example, if there is too low a hydrogen concentration in the region of the recirculation line and / or the anode compartment in order to realize the required power generation in the fuel cell of the fuel cell system. By opening the switchable flow path, drain water is then expelled very quickly and the purge function is started very quickly.
Grundsätzlich können mehrere derartige Ventileinrichtungen im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums vorgesehen sein. Besonders effizient, einfach und kostengünstig lässt sich der Aufbau jedoch dann realisieren, wenn im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung genau eine Ventileinrichtung vorgesehen wird. Über diese eine Ventileinrichtung als kombiniertes Drain-/Purge-Ventil kann dann mit minimalem Aufwand hinsichtlich des Bauraums, der Sensorik und der Ansteuerung ein sehr einfacher, kompakter und effizienter Aufbau realisiert werden. Aufgrund des Überströmwegs in der Ventileinrichtung kommt es zu einem kontinuierlichen Abströmen, zuerst des Wassers und dann einer entsprechenden Gasmenge. Damit kann auf aufwendige Sensorik, wie beispielsweise Levelsensorik, für den Wasserstand verzichtet werden. Dies spart einerseits Kosten und erlaubt es andererseits sich von eventuellen Fehlfunktionen der sehr leicht verschmutzenden Füllstandssensoren frei zu machen.In principle, a plurality of such valve devices may be provided in the region of the recirculation line and / or the anode compartment. However, the construction can be realized in a particularly efficient, simple and cost-effective manner if exactly one valve device is provided in the region of the recirculation line and / or the anode chamber according to a particularly favorable embodiment of the invention. About this one valve device as a combined drain / purge valve can then be realized with minimal effort in terms of space, the sensor and the control a very simple, compact and efficient design. Due to the Überströmwegs in the valve device, it comes to a continuous outflow, first of the water and then a corresponding amount of gas. This can be dispensed with elaborate sensors, such as level sensors, for the water level. On the one hand, this saves costs and, on the other hand, makes it possible to free oneself of possible malfunctions of the very slightly polluting level sensors.
Der Überströmweg kann dabei in der einfachsten Ausführungsform der Erfindung einen festen, aber entsprechend des Brennstoffzellensystems vorgegebenen durchströmbaren Querschnitt aufweisen. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es ferner vorgesehen, dass dieser durchströmbare Querschnitt als Blende ausgebildet ist, wobei die Blende als flexible Blende realisiert ist, deren Öffnungsquerschnitt sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz auf den beiden Seiten der Blende selbsttätig ändert. Eine solche flexible Blende ist nach wie vor ein passives Bauelement, welches keine aktive Ansteuerung oder dergleichen erfordert. Es ist damit weiterhin sehr einfach, kostengünstig und ohne die Problematik von Fehlfunktionen zu realisieren.In the simplest embodiment of the invention, the overflow path can have a solid cross-section which is predetermined by the fuel cell system and can be flowed through. In a particularly advantageous embodiment of the invention, it is further provided that this durchströmbare cross section is designed as a diaphragm, wherein the diaphragm is realized as a flexible diaphragm whose opening cross-section changes automatically depending on the pressure difference on the two sides of the diaphragm. Such a flexible diaphragm is still a passive device which does not require active driving or the like. It is therefore still very easy to implement cost-effectively and without the problem of malfunction.
Der Aufbau kann beispielsweise in Form einer Membran aufgebaut sein, welche sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen der einen Seite und der anderen Seite entsprechend auslenkt. Wenn im Bereich der Membran nun eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen sind, so wird deren Querschnitt bei ausgelenkter Membran entsprechend größer ausfallen, als bei nicht ausgelenkter Membran. Im Extremfall kann somit ein Verschließen des Überströmwegs bei abgestelltem System erreicht werden, sodass über den Überströmweg beispielsweise keine Gase zwischen den über die Ventileinrichtung verbundenen Bereichen ausgetauscht werden. Erst wenn das System in Betrieb genommen wird und eine entsprechende Druckdifferenz zwischen der einen Seite und der anderen Seite auftritt, wird sich die Membran entsprechend in Richtung des geringeren Drucks verformen und über die flexible Blende entsteht der durchströmbare Öffnungsquerschnitt, welcher ein Durchströmen des Überströmwegs, beispielsweise durch Drainwasser und Purgegas erlaubt.The structure may for example be constructed in the form of a membrane, which deflects depending on the pressure difference between the one side and the other side accordingly. If one or more openings are now provided in the region of the membrane, its cross-section will be correspondingly larger in the case of a deflected membrane than in the case of a membrane that is not deflected. In extreme cases, it is thus possible to close the overflow path when the system is turned off so that, for example, no gases are exchanged between the areas connected via the valve device via the overflow path. Only when the system is put into operation and a corresponding pressure difference between the one side and the other side occurs, the membrane will deform accordingly in the direction of lower pressure and the flexible diaphragm creates the flow-through opening cross-section, which flows through the overflow, for example allowed by drain water and purge gas.
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung weist der Bereich der Rezirkulationsleitung dabei einen Wasserabscheider auf, wobei die Ventileinrichtung im Auslassbereich des Wasserabscheiders angeordnet ist. Bei diesem Aufbau kann die Zusammenlegung von Drain und Purge in einem einzigen Bauteil besonders effizient realisiert werden. In dem Wasserabscheider sammelt sich abgeschiedenes Wasser an, sodass davon ausgegangen werden kann, dass die größte Menge an in dem Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums vorliegenden Wassers sich im Bereich dieses Abscheiders sammelt. Im Ausströmbereich des Abscheiders, typischerweise in Richtung der Schwerkraft unten, ist dann die Ventileinrichtung angeordnet, welche durch ihren Überströmweg ein kontinuierliches Abfließen des Wassers erlaubt. Wenn kein Wasser mehr in dem Abscheider vorhanden ist, so kommt es außerdem zu einem Abblasen der sich im Bereich der Rezirkulationsleitung angereicherten Gase, insbesondere Stickstoff sowie gegebenenfalls eine gewisse Restmenge an Wasserstoff, kommen. Von der beschriebenen Funktionalität kann auch der Aufbau mit dem Wasserabscheider ohne die hinsichtlich Verschmutzung kritischen und kostenintensiven Levelsensoren auskommen, da ein kontinuierliches Abfließen des sich ansammelnden Wassers über den Überströmweg gewährleistet ist. Bei entsprechender Auswahl des Durchmessers des Überströmwegs kann so ein sehr einfacher und effizienter Aufbau erreicht werden, bei dem nur minimale Mengen an Wasserstoff aus der Rezirkulationsleitung abfließen.According to a particularly favorable and advantageous embodiment and development of the invention, the region of the recirculation line in this case has a water separator, wherein the valve device is arranged in the outlet region of the water separator. With this structure, the merging of drain and purge can be realized particularly efficiently in a single component. Separated water collects in the water separator, so that it can be assumed that the largest Amount of present in the region of the recirculation line and / or the anode chamber water collects in the region of this separator. In the outflow region of the separator, typically in the direction of gravity below, the valve device is then arranged, which allows by its Überströmweg a continuous outflow of water. If there is no more water in the separator, it also comes to a blow-off of the enriched in the recirculation line gases, in particular nitrogen and optionally a certain residual amount of hydrogen come. From the described functionality, the construction with the water separator can do without the pollution-critical and cost-intensive level sensors, as a continuous flow of the accumulating water is ensured via the overflow. With appropriate selection of the diameter of the overflow so a very simple and efficient structure can be achieved, in which only minimal amounts of hydrogen flow from the recirculation line.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es dabei vorgesehen, den Aufbau gemäß der Erfindung so zu nutzen, dass über die Ventileinrichtung Medien in zwei verschiedenen Aggregatzuständen ausgetragen werden. Aufgrund der Eigenschaft der Flüssigkeiten und der Gase wird bei geeigneter Anordnung der Ventileinrichtung, bevorzugt in einem Wasserabscheider, die Drainfunktion immer zuerst ausgeführt, bis kein Wasser mehr in den entsprechenden Leitungen zur Ventileinrichtung vorhanden ist. Erst nachdem das Wasser über die Ventileinrichtung abgeströmt ist, wird es zu einem Abblasen von Gasen aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums kommen. Durch eine entsprechende Auslegung des Überströmwegs und hier insbesondere des durchströmbaren Querschnitts kann dabei erreicht werden, dass keine großen Mengen an Wasserstoff den Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums verlassen. Dadurch wird es zu einem kontinuierlichen Abströmen des sich ansammelnden Wassers kommen, während nur vergleichsweise geringe Mengen an angereichertem Stickstoff über den Überströmweg abgeblasen werden. Da zusammen mit dem Abblasen der inerten Gase immer auch eine gewisse Menge an Wasserstoff verloren geht, ist dies besonders günstig, da der Verlust an Wasserstoff selbstverständlich möglichst gering gehalten werden soll.In the method according to the invention, it is provided to use the structure according to the invention in such a way that media in two different states of aggregation are discharged via the valve device. Due to the nature of the liquids and the gases, with a suitable arrangement of the valve device, preferably in a water separator, the drainage function will always be carried out first until no more water is present in the corresponding lines to the valve device. Only after the water has flowed out via the valve device will there be a blow off of gases from the region of the recirculation line and / or the anode chamber. By means of a corresponding design of the overflow path and here in particular of the flow-through cross section, it can be achieved that no large amounts of hydrogen leave the region of the recirculation line and / or the anode compartment. This will result in a continuous outflow of the accumulating water, while only comparatively small amounts of enriched nitrogen are blown off via the overflow. Since a certain amount of hydrogen is always lost together with the blowing off of the inert gases, this is particularly favorable since the loss of hydrogen should, of course, be kept as low as possible.
Typischerweise wird daher der schaltbare Strömungsweg der Ventileinrichtung im Normalbetrieb nicht oder nur in Ausnahmezuständen, wie beispielsweise der Betrieb des Brennstoffzellensystems bei hoher elektrischer Leistung, entsprechend geöffnet. Daher ist es gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass der schaltbare Strömungsweg der Ventileinrichtung immer nur dann geöffnet wird, wenn die Wasserstoffkonzentration im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums unter einen vorgegebenen Wert fällt. Das Abfallen der Wasserstoffkonzentration deutet auf das Vorhandensein eines großen Volumens an inertem Gas, insbesondere Stickstoff, hin. Ist dies der Fall, dann kann über ein Öffnen des schaltbaren Strömungswegs ein sehr schnelles Abblasen dieses Gases erreicht werden. Nur in solchen Fällen erfolgt daher das Öffnen des schaltbaren Strömungswegs, sodass Verluste an Wasserstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums weitgehend minimiert werden können.Typically, therefore, the switchable flow path of the valve device in normal operation is not or only in exceptional circumstances, such as the operation of the Fuel cell system with high electrical power, opened accordingly. Therefore, it is provided according to a particularly favorable and advantageous development of the method that the switchable flow path of the valve device is always opened only when the hydrogen concentration in the recirculation line and / or the anode compartment falls below a predetermined value. The drop in hydrogen concentration indicates the presence of a large volume of inert gas, especially nitrogen. If this is the case, then a very fast blowing off of this gas can be achieved by opening the switchable flow path. Only in such cases, therefore, the opening of the switchable flow path, so that losses of hydrogen from the region of the recirculation line and / or the anode compartment can be largely minimized.
Wie oben dargelegt, zeichnet sich der Aufbau des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie der Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere durch Einfachheit, Zuverlässigkeit und Kompaktheit aus. Daher ist sowohl das Brennstoffzellensystem als auch das Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems besonders geeignet, um in Transportmitteln auf dem Land, im Wasser und in der Luft eingesetzt zu werden. Da derartige Transportmittel, insbesondere Personenkraftwagen, immer unter hohem Kostendruck und eher geringem verfügbarem Bauraum realisiert werden, spielen diese Vorteile hier eine besonders große Rolle. Das Brennstoffzellensystem kann dabei typischerweise die Antriebsenergie für ein derartiges Transportmittel zur Verfügung stellen, es ist jedoch auch denkbar, über das Brennstoffzellensystem lediglich elektrische Energie für Hilfsantriebe zu erzeugen, während die Vortriebsenergie anderweitig, beispielsweise durch Verbrennungskraftmaschinen, Strömungsmaschinen oder dergleichen gewonnen wird.As stated above, the structure of the fuel cell system according to the invention and the operation of the method according to the invention are characterized in particular by simplicity, reliability and compactness. Therefore, both the fuel cell system and the method of operating such a system are particularly suitable for use in land, water and air transport. Since such means of transport, in particular passenger cars, are always realized under high cost pressure and rather small available installation space, these advantages play a particularly important role here. The fuel cell system can typically provide the drive energy for such a means of transport, but it is also conceivable to generate only electrical energy for auxiliary drives via the fuel cell system, while the propulsion energy is otherwise obtained, for example, by internal combustion engines, turbomachines or the like.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert wird.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which will be explained in more detail below with reference to FIGS.
Dabei zeigen:Showing:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einer möglichenFig. 1 is a schematic representation of a fuel cell system in a possible
Ausführungsform gemäß der Erfindung; Fig. 2 einen Aufbau einer Ventileinrichtung in einer ersten Ausführungsform gemäß derEmbodiment according to the invention; Fig. 2 shows a structure of a valve device in a first embodiment according to the
Erfindung; Fig. 3 einen Aufbau einer Ventileinrichtung in einer zweiten Ausführungsform gemäß derInvention; Fig. 3 shows a structure of a valve device in a second embodiment according to the
Erfindung; Fig. 4 einen Aufbau einer Ventileinrichtung in einer dritten Ausführungsform gemäß derInvention; Fig. 4 shows a structure of a valve device in a third embodiment according to the
Erfindung; und Fig. 5 einen Aufbau eines Umströmungswegs mit einer flexiblen Blende.Invention; and FIG. 5 shows a construction of a flow path with a flexible diaphragm.
In der Darstellung gemäß Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Ausschnitt stark schematisiert angedeutet. Wichtigster Bestandteil des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von einzelnen Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 2 weist einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4 auf, welche in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils durch eine protonenleitende Membran voneinander getrennt sein sollen. Bei der Brennstoffzelle 2 handelt es sich also um einen sogenannten PEM-Brennstoffzellenstack.In the illustration according to FIG. 1, a fuel cell system 1 is indicated in highly schematic form in a section relevant to the present invention. The most important component of the fuel cell system 1 is a fuel cell 2, which is typically designed as a stack of individual fuel cells, as a so-called fuel cell stack. The fuel cell 2 has an anode space 3 and a cathode space 4, which in the exemplary embodiments illustrated here should each be separated from one another by a proton-conducting membrane. The fuel cell 2 is therefore a so-called PEM fuel cell stack.
Der Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 5 über ein Dosierventil 6 sowie ein Leitungselement mit Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 versorgt. Im Bereich des Anodenraums 3 nicht umgesetzter Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 zurück in den Bereich, in dem der frische Wasserstoff über das Dosierventil 6 zu dem Anodenraum 3 strömt. Die Rezirkulationsleitung 7 führt damit in an sich bekannter Weise unverbrauchtes Gas aus dem Bereich des Anodenraums 3 zurück in den Anodenraum, wobei sich das Gas mit frischem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 vermischt. Um den Druckverlust im Anodenraum 3 auszugleichen, ist im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 eine Rezirkulationsfördereinrichtung 8 angeordnet, welche für die Rückführung des unverbrauchten Gases aus dem Anodenraum 3 sorgt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 8 kann dabei als Wasserstoffrezirkulationsgebläse ausgebildet sein, so wie dies in Figur 1 angedeutet ist. Ergänzend oder alternativ hierzu wäre auch eine Gasstrahlpumpe denkbar, welche durch den Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 angetrieben wird, und das Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ansaugt, mit dem frischen Wasserstoff vermischt und dem Anodenraum 3 zuführt.The anode compartment 3 of the fuel cell 2 is supplied with hydrogen from the hydrogen storage device 5 from a hydrogen storage device 5 via a metering valve 6 and a line element. In the region of the anode chamber 3, unreacted hydrogen passes via a recirculation line 7 back into the region in which the fresh hydrogen flows via the metering valve 6 to the anode chamber 3. The recirculation line 7 thus leads in a manner known per se unused gas from the region of the anode chamber 3 back into the anode space, wherein the gas mixed with fresh hydrogen from the hydrogen storage device 5. To compensate for the pressure loss in the anode chamber 3, a recirculation conveyor 8 is arranged in the region of the recirculation line 7, which ensures the return of the unused gas from the anode chamber 3. The recirculation conveyor 8 can be designed as a hydrogen recirculation fan, as indicated in FIG. Additionally or alternatively, a gas jet pump would be conceivable, which is driven by the hydrogen from the hydrogen storage device 5, and sucks the gas from the region of the recirculation line 7, mixed with the fresh hydrogen and the anode chamber 3 feeds.
Der Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird im hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit Luft versorgt. Der in der Luft enthaltende Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für die chemische Reaktion im Inneren der Brennstoffzelle 2 und bildet zusammen mit dem Wasserstoff in an sich bekannter Weise Wasser, wobei elektrische Leistung frei wird, welche an der Brennstoffzelle 2 entsprechend abgegriffen werden kann. Die Luft für den Kathodenraum 4 wird dabei über eine Luftfördereinrichtung 9 entsprechend verdichtet und dem Kathodenraum 4 zugeführt. Zur Aufbereitung der Luft können dabei weitere Komponenten, wie beispielsweise Luftfilter oder dergleichen vorhanden sein, auf deren Darstellung hier zur Vereinfachung verzichtet wurde. Die Luftfördereinrichtung 9 kann dabei als Kompressor, beispielsweise als Schraubenkompressor, ausgebildet sein. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll die Luftfördereinrichtung 9 jedoch als Strömungsverdichter ausgebildet sein, welcher über eine Welle mit einer elektrischen Maschine 10 sowie einer Turbine 11 kombiniert ist. Dieser aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannte Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader (ETC = Electric Turbo Charger) bezeichnet. Über die Turbine 11 kann in dem Abgas aus dem Kathodenraum 4 vorhandene Energie in Form von Druck und Wärme entsprechend zurückgewonnen werden. Die Luftfördereinrichtung 9 kann dann über die Turbine 11 betrieben werden oder der Betrieb kann zumindest über die Turbine 11 unterstützt werden. Die weitere verbleibende Energie, oder falls die Turbine 11 keine Energie liefert die gesamte Energie zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 9, kann außerdem über die elektrische Maschine 10 zur Verfügung gestellt werden. Wenn die Turbine 11 einen Energieüberschuss liefert, sodass mehr Energie an der Turbine 11 anfällt als zum Betrieb des Luftverdichters 9 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 10 als auch als Generator betrieben werden, um diese anfallende mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, welche dann in z.B. einer Batterie des Brennstoffzellensystems 1 entsprechend eingespeichert wird oder anderen elektrisch betriebenen Nebenaggregaten zur Verfügung gestellt werden kann.The cathode compartment 4 of the fuel cell 2 is supplied with air in the exemplary embodiment shown here. The oxygen contained in the air serves as an oxidizing agent for the chemical reaction in the interior of the fuel cell 2 and forms together with the Hydrogen in a conventional manner, water, wherein electric power is released, which can be tapped at the fuel cell 2 accordingly. The air for the cathode compartment 4 is compressed accordingly via an air conveyor 9 and fed to the cathode compartment 4. For the preparation of the air while other components such as air filters or the like may be present, their representation has been omitted here for simplicity. The air conveyor 9 can be designed as a compressor, for example as a screw compressor. In the embodiment shown here, however, the air conveying device 9 should be designed as a flow compressor, which is combined via a shaft with an electric machine 10 and a turbine 11. This construction, which is also known from the prior art, is also referred to as an electric turbocharger (ETC = Electric Turbo Charger). Via the turbine 11, existing energy in the form of pressure and heat can be correspondingly recovered in the exhaust gas from the cathode compartment 4. The air conveyor 9 can then be operated via the turbine 11 or the operation can be supported at least via the turbine 11. The remaining energy remaining, or if the turbine 11 does not provide energy all the energy for driving the air conveyor 9, can also be provided via the electric machine 10. If the turbine 11 provides an excess of energy, so that more energy is generated at the turbine 11 than is needed to operate the air compressor 9, then the electric machine 10 can be operated as well as a generator to convert this resulting mechanical energy into electrical energy, which then in example, a battery of the fuel cell system 1 is stored accordingly or other electrically operated ancillaries can be provided.
Im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ist außerdem ein Wasserabscheider 12 vorgesehen, welcher während des Betriebs flüssiges Wasser, welches sich im Bereich des Anodenraums 3 ansammelt und über die Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ausgetragen wird, sammelt. Dieses flüssige Wasser kann somit Gaskanäle und dergleichen im Bereich des Anodenraums 3 nicht verstopfen, sodass dessen sicherer und zuverlässiger Betrieb garantiert werden kann. Im Bereich des Wasserabscheiders 12 ist zum Ablassen dieses Wassers eine Ventileinrichtung 13 im Auslassbereich des Wasserabscheiders 12, typischerweise also in Richtung der Schwerkraft unten, vorgesehen. Diese Ventileinrichtung 13, welche den Kern des hier beschriebenen Systemaufbaus darstellt, hat dabei eine besondere Ausgestaltung, auf weiche später noch umfassend eingegangen werden wird.In the region of the recirculation line 7, a water separator 12 is also provided, which during operation liquid water, which accumulates in the region of the anode chamber 3 and is discharged via the recirculation line 7, collects. This liquid water can thus not clog gas ducts and the like in the region of the anode compartment 3, so that its safe and reliable operation can be guaranteed. In the region of the water separator 12, a valve device 13 is provided in the outlet region of the water separator 12, typically in the direction of gravity below, for discharging this water. This valve device 13, which is the core of the one described here Represents system structure, it has a special design, which will be discussed later on comprehensive.
Im Bereich der Zuleitung der Luft von der Luftfördereinrichtung 9 in den Kathodenraum 4 ist außerdem ein weiteres Bauteil 14 angeordnet, welches sowohl von dem Zuluftstrom zum Kathodenraum 4 als auch dem Abluftstrom vom Kathodenraum 4 durchströmt wird. Dieses Bauteil 14 soll dabei ein kombinierter Ladeluftkühler und Befeuchter sein. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, die beiden Bauteile jeweils einzeln nacheinander auszubilden. Die Aufgabe des Bauteils 14 besteht nun darin, die nach der Luftfördereinrichtung 9 vergleichsweise heiße und trockene Luft mit der eher kalten und feuchten Abluft aus dem Kathodenraum 4 entsprechend abzukühlen und zu befeuchten. Hierfür durchströmen die beiden Gasströme das Bauteil 14 in getrennten Bereichen, welche über für Wärme und Wasserdampf zumindest partiell durchlässige Trennwände voneinander getrennt sind. Damit kann die Wärme der verdichteten Zuluft auf die Abluft übertragen werden. Gleichzeitig wird in der Abluft befindliche Feuchtigkeit, welche sich dort aufgrund des primär im Bereich des Kathodenraums 4 entstehenden Produktwassers befindet, auf die trockene Zuluft übertragen, sodass diese entsprechend befeuchtet in den Kathodenraum 4 einströmt und damit die empfindlichen Membranen nicht schädigt. Der Vorteil des Aufbaus mit der Turbine 11 ist es dabei, dass in dem Bauteil 14 vom Zuluftstrom auf den Abluftstrom übertragene Energie im Bereich der Turbine 11 wieder genutzt und zumindest teilweise wieder für die Luftfördereinrichtung 9 zur Verfügung gestellt werden kann.In the region of the supply of air from the air conveyor 9 in the cathode compartment 4, a further component 14 is also arranged, which is flowed through by both the supply air flow to the cathode compartment 4 and the exhaust air flow from the cathode compartment 4. This component 14 is intended to be a combined intercooler and humidifier. In principle, it would also be conceivable to design the two components individually one after the other. The task of the component 14 is to cool and humidify the air which is comparatively hot and dry after the air conveying device 9 with the rather cold and moist exhaust air from the cathode chamber 4. For this purpose, the two gas streams flow through the component 14 in separate regions, which are separated from one another by means of partitions which are at least partially permeable to heat and water vapor. Thus, the heat of the compressed supply air can be transferred to the exhaust air. At the same time, moisture present in the exhaust air, which is there due to the product water produced primarily in the region of the cathode compartment 4, is transferred to the dry supply air, so that it flows into the cathode compartment 4 in a correspondingly humidified manner and thus does not damage the sensitive membranes. The advantage of the structure with the turbine 11 is that used in the component 14 from the supply air flow to the exhaust air flow energy used in the area of the turbine 11 and at least partially made available again for the air conveyor 9 available.
Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß Figur 1 zeigt außerdem eine SteuerungselektronikThe fuel cell system 1 according to FIG. 1 also shows an electronic control system
15, welche hier exemplarisch angedeutet ist und mit entsprechenden Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 in Verbindung steht. Außerdem sind beispielhaft drei Sensoren15, which is indicated here by way of example and is in communication with corresponding components of the fuel cell system 1. In addition, three sensors are exemplary
16, 17, 18 dargestellt, welche entsprechende Werte an die Steuerungselektronik 15 liefern, welche dann zur Ansteuerung beispielsweise der Luftfördereinrichtung 9, der Rezirkulationsfördereinrichtung 8, des Dosierventils 6, der Turbine 11 oder dergleichen verwendet werden können. Dabei sollen die Sensoren 16 und 17 entsprechende Drucksensoren darstellen, während der Sensor 18 einen16, 17, 18, which provide corresponding values to the control electronics 15, which can then be used to control, for example, the air conveyor 9, the recirculation conveyor 8, the metering valve 6, the turbine 11 or the like. The sensors 16 and 17 should represent corresponding pressure sensors, while the sensor 18 a
Wasserstoffkonzentrationssensor symbolisiert. Die Steuerungselektronik 15 ist dabei in an sich bekannter Weise auch mit der Brennstoffzelle 2 selbst verbunden und kann die Funktionalität des gesamten Brennstoffzellensystems 1 überwachen und steuern bzw. regeln. Beim Einsatz in einem Fahrzeug wird die Steuerungselektronik 15 außerdem mit einer Fahrzeugsteuergerät in Verbindung stehen, um die entsprechenden Anforderungen des Fahrzeugs an das Brennstoffzellensystem 1 entsprechend umzusetzen, beispielsweise indem das Brennstoffzellensystem 1 die vom Fahrzeug gestellte Leistungsvorgabe entsprechend umsetzt. Damit kann die gewünschte Vortriebsenergie durch das Brenπstoffzellensystem 1 erzeugt werden, wenn dieses zumindest einen Teil der Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug liefert. Beim ebenso denkbaren Einsatz des Brennstoffzellensystems 1 als Hilfsenergiesystem könnte eine entsprechende Anforderung vom elektrischen Nebenaggregat des Fahrzeugs, z.B. einer Klimaanlage oder einer entsprechenden Elektronikkomponente erfolgen.Hydrogen concentration sensor symbolizes. The control electronics 15 is connected in a conventional manner with the fuel cell 2 itself and can monitor the functionality of the entire fuel cell system 1 and control or regulate. When used in a vehicle, the control electronics 15 is also with a vehicle control unit are in communication in order to implement the corresponding requirements of the vehicle to the fuel cell system 1, for example, by the fuel cell system 1, the power demand imposed by the vehicle accordingly. Thus, the desired propulsion energy can be generated by the Brenπstoffzellensystem 1, if this provides at least a portion of the drive power for the motor vehicle. In equally conceivable use of the fuel cell system 1 as auxiliary power system, a corresponding request could be made by the electrical auxiliary unit of the vehicle, for example an air conditioning system or a corresponding electronic component.
Dieser bis hierher beschriebene Aufbau entspricht dabei dem entsprechenden Teil eines Brennstoffzellensystems 1 , wie es auch aus dem Stand der Technik bekannt ist. Aufgrund der Tatsache, dass dem Kathodenraum 4 Luft zugeführt wird, und dass der Wasserstoff über die Rezirkulationsleitung 7, in einem sogenannten Anodenloop, um den Anodenraum 3 geführt wird, kommt es mit der Zeit zu einer Anreicherung von Stickstoff im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und des Anodenraums 3, da Stickstoff durch die Membran hindurch aus der Luft im Kathodenraum 4 in den Bereich des Anodenraums 3 diffundiert. Außerdem wird ein Teil des entstehenden Produktwassers im Bereich des Anodenraums 3 entstehen, wenn auch der größte Teil des Produktwassers im Kathodenraum 4 anfällt. Aufgrund der Kreislaufführung des Gases um den Anodenraum 3 kommt es nun also zu einer Anreicherung von Stickstoff und Wasser im Bereich des Anodenloops. Um dennoch eine ausreichende Menge an Wasserstoff bzw. eine ausreichend hohe Wasserstoffkonzentration im Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 sicherstellen zu können, muss dieser Stickstoff in herkömmlichen Systemen von Zeit zu Zeit abgeblasen werden (Purge). Auch das anfallende Wasser muss von Zeit zu Zeit abgelassen werden (Drain). Der Drain und der Purge erfolgen in dem Aufbau gemäß Figur 1 mittels der Ventileinrichtung 13, die im hier dargestellten Ausführungsbeispiel am Wasserabscheider 12 angebracht ist.This structure described so far corresponds to the corresponding part of a fuel cell system 1, as it is also known from the prior art. Due to the fact that the cathode chamber 4 air is supplied, and that the hydrogen is passed through the recirculation line 7, in a so-called anode loop to the anode chamber 3, it comes with time to an accumulation of nitrogen in the recirculation line 7 and the Anode space 3, since nitrogen diffuses through the membrane from the air in the cathode space 4 in the region of the anode space 3. In addition, a portion of the resulting product water will arise in the region of the anode compartment 3, although most of the product water in the cathode compartment 4 is obtained. Due to the circulation of the gas around the anode compartment 3, there is now an accumulation of nitrogen and water in the region of the anode loop. In order nevertheless to ensure a sufficient amount of hydrogen or a sufficiently high hydrogen concentration in the anode compartment 3 of the fuel cell 2, this nitrogen must be blown off in conventional systems from time to time (purge). Also, the accumulating water must be drained from time to time (drain). The drain and the purge take place in the structure according to FIG. 1 by means of the valve device 13, which is attached to the water separator 12 in the exemplary embodiment shown here.
In der Darstellung der Figur 2 ist der detaillierte Aufbau der Ventileinrichtung 13 in einer schematisch dargestellten Ausführungsform zu erkennen. Die Ventileinrichtung 13 verfügt dabei über zwei Strömungswege, nämlich einen schaltbaren Strömungsweg 19 mit einem Ventilelement 20 sowie einen Überströmweg 21 , welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Blende 22 einen fest vorgegebenen durchströmbaren Querschnitt haben soll. Der schaltbare Strömungsweg 19 und der Überströmweg 21 sind dabei parallel in der Ventileinrichtung 13 geführt, sodass auch bei geschlossenem Ventil 20 eine Strömung durch den Überströmweg 21 , welcher auch als Bypass bezeichnet werden könnte, auftreten kann. Über die Ventileinrichtung 13 ist der Wasserabscheider 12 nun mit dem Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 verbunden. Im regulären Betrieb, bei geschlossenem schaltbarem Strömungsweg 19 wird daher anfallendes und sich in dem Wasserabscheider 12 ansammelndes Wasser über den Überströmweg 21 aus dem Wasserabscheider abströmen und in den Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 gelangen. Insbesondere im Bereich der Zusammenführung nach der Luftfördereinrichtung 9, wird die Zuluft entsprechend heiß und trocken vorliegen, sodass durch die eingebrachte Feuchtigkeit bzw. das eingebrachte Wasser aus dem Bereich des Wasserabscheiders 12 eine Kühlung und Befeuchtung der Zuluft erfolgt, was für die Konditionierung der Zuluft, welche dann typischerweise noch einen Ladeluftkühler und/oder einen Befeuchter durchströmt, durchaus von Vorteil ist. Nachdem der Wasserabscheider durch den Überströmweg 21 entsprechend leer ist, also das in ihm befindliche Wasser weitgehend abgelassen wurde, wird außerdem ein Teil des Gases aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 über den Überströmweg 21 der Ventileinrichtung 13 mit abgeblasen, welches ebenfalls in den Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 gelangt. Dieses Gas wird primär aus inerten Gasen, insbesondere aus Stickstoff, bestehen. Im Allgemeinen wird jedoch ein kleiner Teil an Wasserstoff mit enthalten sein. Dieser wird im Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 entsprechend mit der Zuluft gemischt. An den im Kathodenraum 4 vorhandenen Katalysatoren kann das Gemisch aus Sauerstoff und Restwasserstoff in dem Purgegas dann zu Wasser reagieren, ohne dass über die Abluftleitung aus dem Kathodenraum 4 Emissionen von Wasserstoff an die Umgebung zu befürchten wären.In the illustration of Figure 2, the detailed structure of the valve device 13 can be seen in a schematically illustrated embodiment. In this case, the valve device 13 has two flow paths, namely a switchable flow path 19 with a valve element 20 and an overflow path 21, which in the exemplary embodiment shown here is intended to have a fixed predetermined flow-through cross-section via an orifice 22. The switchable flow path 19 and the overflow 21 are guided in parallel in the valve device 13, so that even when the valve 20 is closed, a flow through the overflow 21, which could also be referred to as a bypass, may occur. Via the valve device 13, the water separator 12 is now connected to the region of the supply air to the cathode chamber 4. In regular operation, with closed switchable flow path 19, accumulating water accumulating in the water separator 12 will flow out of the water separator via the overflow path 21 and reach the cathode chamber 4 in the region of the supply air. In particular, in the area of the merge after the air conveyor 9, the supply air will be hot and dry accordingly, so that the moisture introduced or the water introduced from the area of the water separator 12 is cooling and humidifying the supply air, which is for the conditioning of the supply air, which then typically flows through a charge air cooler and / or a humidifier, is quite beneficial. After the water separator is correspondingly empty through the Überströmweg 21, so that the water in it was largely drained, also a part of the gas from the region of the recirculation line 7 is blown over the Überströmweg 21 of the valve means 13, which also in the supply air reaches the cathode compartment 4. This gas will primarily consist of inert gases, especially nitrogen. In general, however, a small amount of hydrogen will be included. This is mixed in the supply air to the cathode compartment 4 according to the supply air. At the present in the cathode compartment 4 catalysts, the mixture of oxygen and residual hydrogen in the purge gas can then react to water without the exhaust duct from the cathode compartment 4 emissions of hydrogen to the environment would be feared.
Über die Blende 22 im Überströmweg 21 der Ventileinrichtung 13 wird typischerweise immer zuerst dass sich ansammelnde Wasser abströmen. Erst dann erfolgt ein Abblasen von Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7. Dies ist bei den allgemeinen Betriebsbedingungen, insbesondere im Teillastbereich des Brennstoffzellensystem 1 so gewollt und typischerweise auch sowohl hinsichtlich des Drains als auch hinsichtlich des Purgs ausreichend. In besonderen Situationen, wenn sich entsprechend viel inertes Gas in der Rezirkulationsleitung 7 angesammelt hat, kann über die Steuereinrichtung 15 das Ventil 20 des schaltbaren Strömungswegs entsprechend geöffnet werden. Dann kommt es zusätzlich zu einem Abblasen eines größeren Volumens, auch hier zuerst des Wassers und dann des Gases. Da über die Steuereinrichtung 15 entsprechende Werte des Systems wie Drücke, Temperaturen und dergleichen bekannt sind, kann ein Öffnen des Ventils 20 im schaltbaren Strömungsweg 19 so gesteuert werden, dass dieses zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem die geeigneten Bedingungen im Kathodenraum 4 vorliegen, sodass einerseits die eingebrachte Feuchtigkeit und andererseits der mit eingebrachte Restwasserstoff in dem Purgegas in dem Kathodenraum 4 entsprechend umgesetzt werden kann, ohne den Betrieb der Brennstoffzelle 2 massiv zu beeinträchtigen. Als Auslöser für einen derartigen Purge über das Ventil 20 im schaltbaren Strömungsweg 9 kann beispielsweise die Wasserstoffkonzentration im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 herangezogen werden. Eine solche kann, wie hier beispielhaft dargestellt, über einen Wasserstoffkonzentrationssensor 18 entsprechend gemessen und in der Steuerungselektronik 15 verarbeitet werden. Wenn die Wasserstoffkonzentration aufgrund einer großen Menge an angereichertem Stickstoff in der Rezirkulationsleitung 7 sinkt, kann über ein Öffnen des Ventils 20 im schaltbaren Strömungsweg 19 der Ventileinrichtung 13 ein Abblasen dieses Stickstoffs parallel zum ansonsten immer offenen Strömungsweg durch den Überströmweg 21 mit seiner Blende 22 realisiert werden.About the aperture 22 in Überströmweg 21 of the valve device 13 is typically always first that accumulating water flow. Only then is a blowing off of gas from the area of the recirculation line 7. This is so intentional in the general operating conditions, in particular in the partial load range of the fuel cell system 1 and typically also both in terms of the drain and with respect to the Purgs sufficient. In special situations, when a corresponding amount of inert gas has accumulated in the recirculation line 7, the valve 20 of the switchable flow path can be opened correspondingly via the control device 15. Then, in addition to a blow off a larger volume, also here first of the water and then the gas. Because of the control device 15 corresponding values the system such as pressures, temperatures and the like are known, an opening of the valve 20 in the switchable flow path 19 can be controlled so that it takes place at a time in which the appropriate conditions in the cathode compartment 4, so on the one hand the introduced moisture and on the other hand can be reacted accordingly with introduced residual hydrogen in the purge gas in the cathode chamber 4, without affecting the operation of the fuel cell 2 massively. As a trigger for such purge through the valve 20 in the switchable flow path 9, for example, the hydrogen concentration in the region of the recirculation line 7 can be used. Such can, as exemplified here, be measured in accordance with a hydrogen concentration sensor 18 and processed in the control electronics 15. If the hydrogen concentration decreases due to a large amount of enriched nitrogen in the recirculation line 7, opening of the valve 20 in the switchable flow path 19 of the valve device 13, a blowing off of this nitrogen can be realized parallel to the otherwise always open flow path through the overflow 21 with its aperture 22 ,
Alternativ oder ergänzend zur Messung der Wasserstoffkonzentration kann ein Öffnen des Ventils 20 auch dann erfolgen, wenn entsprechend viel Wasser im Bereich des Wasserabscheiders 12 und der Rezirkulationsleitung 7 vorliegt. Da auf die typischerweise sehr empfindlichen Levelsensoren im Bereich des Wasserabscheiders 12 verzichtet werden soll, kann dann eine entsprechende Verschlechterung der Brenπstoffzellenperformance oder einfach eine zeitgesteuerte Öffnung des Ventils 20 für den Drain vorgesehen werden.As an alternative or in addition to the measurement of the hydrogen concentration, opening of the valve 20 can also take place if a corresponding amount of water is present in the region of the water separator 12 and the recirculation line 7. Since it is intended to dispense with the typically very sensitive level sensors in the region of the water separator 12, a corresponding deterioration of the fuel cell performance or simply a time-controlled opening of the valve 20 for the drain can then be provided.
Die Blende 22 wird hinsichtlich ihres durchströmbaren Durchmessers entsprechend den jeweiligen Systembedingungen des vorliegenden Brennstoffzellensystems 1 gewählt. Insbesondere muss der Durchflussfaktor so gewählt werden, dass immer eine bestmögliche Abfuhr des Wassers gewährleistet ist und dass in Abstimmung mit dem Volumenstrom in der Rezirkulationsleitung 7 außerdem dafür gesorgt ist, dass nur eine geringe Menge an Wasserstoff über den Überströmweg 21 aus dem Bereich des Anodenraums 3 und der Rezirkulationsleitung 7 ausgetragen wird. In einem kleinen Brennstoffzellensystem 1 wird daher eine kleinere Blende eingesetzt sein als in einem großen Brennstoffzellensystem 1 mit größeren Volumenströmen durch die Brennstoffzelle 2. Insgesamt entsteht damit ein sehr einfacher und effizienter Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1 , welcher eine entsprechend sichere Funktionalität erlaubt und insbesondere nicht in Abhängigkeit von sehr stark gegen Verschmutzung anfälligen Levelsensoren gesteuert wird. Der Aufbau der Ventileiπrichtung 13 kann dabei entsprechend der Darstellung in Figur 2 realisiert werden. Dabei ist sowohl ein Aufbau mit einem Ventil 20 und einer darum gelegten Bypassleitung als Überströmweg 21 denkbar. Parallel dazu kann der Überströmweg 21 auch in das Ventil 20 integriert sein, beispielsweise als Bypasskanal im Ventilgehäuse. Außerdem wäre es denkbar, den Überströmweg 21 unmittelbar in das Ventil 20 mit zu integrieren, sodass eine integrierte und äußerst kompakte Ventileinrichtung 13 entsteht. Die Figuren 3 und 4 zeigen mögliche Ausführungsformen einer derartigen Ventileinrichtung 13. Die Darstellung der Figur 3 und Figur 4 zeigt dabei ein Ventilgehäuse 23, in dem beispielhaft ein Ventilsitz 24 und ein mit diesem Ventilsitz 24 korrespondierender Ventilstößel 25 dargestellt sind. Wie durch den Doppelpfeil in einem Schaft 26 des Ventilstößels 25 angedeutet, kann der Ventilstößel 25 entsprechend bewegt werden, sodass zwischen dem Ventilstößel 25 und dem Ventilsitz 24 ein durchströmbarer Querschnitt freigegeben wird. Der Ventilstößel 25 kann beispielsweise über magnetische Kräfte entsprechend bewegt werden, sodass ein Magnetventil vorliegt. In der Darstellung der Figur 3 ist nun zu erkennen, dass im Ventilstößel 25 eine Nut 27 vorgesehen ist. Durch diese Nut 27 als Ausnehmung entsteht der Überströmweg 21 auch bei geschlossenem Ventil 20, also immer dann, wenn der Ventilstößel 25 - wie in den Figuren 3 und 4 dargestellt - am Ventilsitz 24 anliegt. Die Nut 27 kann dabei jeweils einmal oder auch mehrfach in dem Ventilstößel 25 vorgesehen sein. Ihr Querschnitt definiert dabei den Durchflussfaktor und ersetzt die in Figur 2 dargestellte Blende 22. Die Darstellung in Figur 4 ist im Wesentlichen analog der Darstellung in Figur 3 zu verstehen. Anstelle der Nut 27 ist hier eine Bohrung 28 in dem Ventilstößel 25 angebracht. Die Bohrung 28 erlaubt es einer geringen Menge an Medium kontinuierlich durch die Ventileinrichtung 13 zu strömen, auch dann, wenn das Ventil 20 geschlossen ist und der Ventilstößel 25 am Ventilsitz 24 dichtend anliegt. Dabei können analog dem oben dargestellten Beispiel auch mehrere Bohrungen 28 vorgesehen werden.The orifice 22 is selected with regard to its permeable diameter in accordance with the respective system conditions of the present fuel cell system 1. In particular, the flow factor must be chosen so that always the best possible drainage of the water is guaranteed and that in coordination with the volume flow in the recirculation line 7 is also ensured that only a small amount of hydrogen via the overflow 21 from the area of the anode space. 3 and the recirculation line 7 is discharged. In a small fuel cell system 1, therefore, a smaller aperture will be used than in a large fuel cell system 1 with larger volume flows through the fuel cell 2. Overall, this results in a very simple and efficient structure of a fuel cell system 1, which allows a correspondingly secure functionality and in particular is not controlled in response to very sensitive to contamination level sensors. The construction of the valve device 13 can be realized as shown in FIG. In this case, both a construction with a valve 20 and a bypass line placed around it as Überströmweg 21 is conceivable. In parallel, the overflow 21 may also be integrated into the valve 20, for example as a bypass channel in the valve housing. In addition, it would be conceivable to integrate the overflow path 21 directly into the valve 20, so that an integrated and extremely compact valve device 13 is created. Figures 3 and 4 show possible embodiments of such a valve device 13. The illustration of Figure 3 and Figure 4 shows a valve housing 23, in which by way of example a valve seat 24 and a valve seat 24 corresponding with this valve stem 25 are shown. As indicated by the double arrow in a shaft 26 of the valve stem 25, the valve stem 25 can be moved accordingly, so that between the valve stem 25 and the valve seat 24, a flow-through cross section is released. The valve stem 25 can be moved according to magnetic forces, for example, so that a solenoid valve is present. In the illustration of Figure 3 it can be seen that in the valve stem 25, a groove 27 is provided. Through this groove 27 as a recess of the overflow 21 is formed even when the valve 20 is closed, that is, whenever the valve stem 25 - as shown in Figures 3 and 4 - abuts the valve seat 24. The groove 27 can be provided in each case once or several times in the valve lifter 25. Their cross-section defines the flow factor and replaces the aperture 22 shown in FIG. 2. The representation in FIG. 4 is essentially analogous to the representation in FIG. 3. Instead of the groove 27 here a bore 28 is mounted in the valve stem 25. The bore 28 allows a small amount of medium to flow continuously through the valve means 13, even when the valve 20 is closed and the valve stem 25 sealingly abuts the valve seat 24. In this case, a plurality of holes 28 can be provided analogously to the example shown above.
Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 in der hier dargestellten Ausführungsform ist nun hinsichtlich der Auslegung des Überströmwegs 21 vergleichsweise kritisch, da dieser, wie bereits mehrfach erwähnt, so gestaltet sein muss, dass nicht mehr Wasserstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 verloren geht als unbedingt notwendig. Nun ist es jedoch so, dass über verschiedene Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 1 hinweg unterschiedliche Mengen an Wasser und Stickstoff im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 anfallen werden. Es wäre daher wünschenswert, verschiedene Durchmesser des Überströmwegs für verschiedene Betriebszustände vorzusehen. Grundsätzlich wäre dies möglich, indem mehrere Überströmwege parallel vorgesehen sind, wobei über entsprechende Ventileinrichtungen einzelne Überströmwege entsprechend zugeschaltet bzw. abgeschaltet würden. Dadurch würde jedoch der Vorteil der geringen Anzahl an Bauteilen und des einfachen Systems weitgehend aufgebraucht. Daher kann es gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung des Systems vorgesehen sein, dass die Blende 22 als flexible Blende ausgestaltet ist. In der Darstellung der Figur 5 ist die Blende 22 als eine solche flexible Blende beispielhaft dargestellt. Die flexible Blende kann als Öffnung 29 in einer Membran 30 ausgebildet sein. Die Membran 30 selbst ist dabei weder für Wasser noch für Gas durchlässig, sodass der Querschnitt des Überströmwegs 21 durch die Größe der Öffnung 29 bestimmt wird. Tritt nun im Bereich des Wasserabscheiders 12 ein entsprechender Druck auf, welcher höher ist als der Druck im Bereich nach der Ventileinrichtung 13, insbesondere also der Druck im Bereich der Kathodenzuluft, so wird sich die Membran 30 entsprechend verformen und beispielhaft die in Figur 5 gestrichelt eingezeichnete Position 30' annehmen. Wie zu erkennen ist, wird die dann mit 29' bezeichnete Öffnung größer, sodass die Blende 22 in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Blende 22 ihren durchströmbaren Öffnungsquerschnitt 29, 29' entsprechend verändert. Dies erfolgt passiv und ohne dass eine Ansteuerung der Blende 22 beispielsweise mittels Magneten oder dergleichen notwendig wäre. Der Vorgang kann allerdings gezielt beeinflusst werden, indem über die Steuerungselektronik 15 die Drücke im Bereich der Kathode 4 und der Anode 3 entsprechend beeinflusst werden, sodass es zu einer Auslenkung der Membran 30, 30' im Bereich der flexiblen Blende 22 kommt. Damit kann der Durchfluss durch den Überströmweg 21 entsprechend fein justiert werden. Da die Drücke zwischen Kathode 4 und Anode 3 ohnehin ständig überwacht und über die Luftfördereinrichtung 9, die Turbine 11 , welche üblicherweise ein variable Turbinengeometrie aufweist, und damit den Gegendruck im Katzhodenraum regeln kann, sowie die Zufuhr von Wasserstoff über die Dosiereinrichtung 6 entsprechend angepasst werden können, stellt diese Regelung zur Feinanpassung der abgeführten Menge an Wasser und Gas über die Ventileinrichtung 13 nur einen minimalen zusätzlichen Aufwand dar, mit dem jedoch die Funktionalität des Systems gegenüber der einfachen Variante mit fester Blende 22 nochmals erhöht werden kann.The structure of the fuel cell system 1 in the embodiment shown here is now comparatively critical with regard to the design of the overflow path 21, since, as already mentioned several times, this must be designed such that no more hydrogen is emitted the area of the recirculation line 7 is lost as absolutely necessary. However, it is the case that different amounts of water and nitrogen in the region of the recirculation line 7 will occur over different operating conditions of the fuel cell system 1. It would therefore be desirable to provide different diameters of the overflow path for different operating conditions. In principle, this would be possible by providing a plurality of overflow paths in parallel, with individual overflow paths being switched on or off correspondingly via corresponding valve devices. However, this would largely consume the advantage of the small number of components and the simple system. Therefore, it may be provided according to a particularly advantageous embodiment of the system that the aperture 22 is designed as a flexible aperture. In the illustration of Figure 5, the aperture 22 is exemplified as such a flexible diaphragm. The flexible diaphragm may be formed as an opening 29 in a membrane 30. The membrane 30 itself is neither permeable to water nor to gas, so that the cross section of the overflow 21 is determined by the size of the opening 29. If a corresponding pressure, which is higher than the pressure in the region downstream of the valve device 13, in particular the pressure in the region of the cathode feed, now occurs in the region of the water separator 12, the membrane 30 will correspondingly deform and, for example, the dashed line in FIG Assume position 30 '. As can be seen, the opening then designated 29 'becomes larger, so that the diaphragm 22 in accordance with the pressure difference between the two sides of the diaphragm 22 its corresponding opening cross-section 29, 29' changed accordingly. This is done passively and without a control of the aperture 22 would be necessary for example by means of magnets or the like. However, the process can be specifically influenced by the pressures in the region of the cathode 4 and the anode 3 are influenced accordingly via the control electronics 15, so that there is a deflection of the membrane 30, 30 'in the region of the flexible diaphragm 22. Thus, the flow through the overflow 21 can be adjusted accordingly fine. Since the pressures between cathode 4 and anode 3 are constantly monitored anyway and can be adjusted via the air conveyor 9, the turbine 11, which usually has a variable turbine geometry, and thus the back pressure in Katzhodenraum, and the supply of hydrogen via the metering device 6 are adjusted accordingly can, this scheme for fine adjustment of the discharged amount of water and gas through the valve device 13 only a minimal additional effort with which, however, the functionality of the system over the simple variant with fixed aperture 22 can be increased again.
Insbesondere wenn der Druck im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und damit auch im Bereich des Anodenraums 3 entsprechend erhöht ist, ist eine größere Öffnung der flexiblen Blende 22 wünschenswert. Im umgekehrten Fall jedoch eher nicht. Um mit dem in Figur 5 dargestellten Aufbau zu erreichen, dass die Blende 22 sich nur dann weiter öffnet, wenn im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ein entsprechend höherer Druck vorliegt, kann im Bereich der Blende 22 ein Stabilisierungsmittel 31 beispielsweise in Form eines Gitters oder Lochblechs eingebracht werden. Dieses Stabilisierungsmittel 31 kann dabei so ausgebildet sein, dass die Membran 30 bei ausgeglichener Druckdifferenz im Bereich des Stabilisierungsmittels 31 anliegt. Kommt es nun zu einem Überdruck auf der Seite der Kathodenzuluft bzw. des Kathodenraumes 4, so wird die Membran von dem Stabilisierungsmittel 31 in ihrer Position gehalten und kann sich nicht in Richtung der Rezirkulationsleitung 7 und des Wasserabscheiders 12 hin aufwölben. Damit bleibt die Öffnung 29 in ihrem definierten Öffnungsquerschnitt, obwohl eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten vorliegt. Bei einer Druckdifferenz mit anderem Vorzeichen stört das Stabilisierungsmittel 31 in seiner Anordnung gemäß Figur 5 die oben beschriebene Funktion nicht.In particular, when the pressure in the region of the recirculation line 7 and thus also in the region of the anode chamber 3 is increased accordingly, a larger opening of the flexible diaphragm 22 is desirable. In the opposite case, but rather not. In order to achieve with the structure shown in Figure 5, that the aperture 22 only opens further, if in the region of the recirculation line 7, a correspondingly higher pressure is present, in the region of the diaphragm 22, a stabilizing means 31 introduced, for example in the form of a grid or perforated plate become. This stabilizing means 31 can be designed so that the membrane 30 rests with a balanced pressure difference in the region of the stabilizing means 31. If there is now an overpressure on the side of the cathode feed air or of the cathode space 4, the membrane is held in its position by the stabilizing means 31 and can not bulge in the direction of the recirculation line 7 and the water separator 12. Thus, the opening 29 remains in its defined opening cross section, although there is a pressure difference between the two sides. In the case of a pressure difference with a different sign, the stabilizing means 31 in its arrangement according to FIG. 5 does not disturb the function described above.
In einer Weiterbildung dieser Idee kann es außerdem vorgesehen sein, dass in diesem Ruhezustand die Öffnung 29 der flexiblen Blende 22 so gewählt ist, dass diese sich erst öffnet, wenn eine gewisse Auslenkung der Membran 30 realisiert ist. Damit könnte dann erreicht werden, dass die Ventileinrichtung 13 im abgestellten Zustand des Brennstoffzellensystem 1 , wenn beide Seiten drucklos sind, entsprechend verschlossen ist, sodass es nicht zu einer Mischung der Gase im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und damit im Bereich des Anodenraums 3 sowie den Gasen im Bereich des Kathodenraums 4 kommt.In a further development of this idea, it may also be provided that in this rest state, the opening 29 of the flexible diaphragm 22 is selected so that it opens only when a certain deflection of the diaphragm 30 is realized. This could then be achieved that the valve device 13 in the parked state of the fuel cell system 1, when both sides are depressurized, is closed accordingly, so it does not cause a mixture of gases in the recirculation line 7 and thus in the region of the anode chamber 3 and the gases comes in the region of the cathode compartment 4.
Die konkreten Ausgestaltungen der Figuren 3, 4 und 5 sind dabei lediglich Beispiele für mögliche Ausführungsformen zur Realisierung. Es ist selbstverständlich, dass dem Fachmann alternative Ausgestaltungen geläufig sind, oder durch diesen leicht hergeleitet werden können, welche mit einem anderen konstruktiven Aufbau denselben Zweck erfüllen. Es ist selbstverständlich, dass auch diese alternativen Ausführungsformen unter die Erfindung fallen. The specific embodiments of FIGS. 3, 4 and 5 are merely examples of possible embodiments for implementation. It is obvious that the person skilled in alternative embodiments are familiar, or can be easily derived by this, which meet the same purpose with a different structural design. It goes without saying that these alternative embodiments are also covered by the invention.

Claims

Patentansprüche claims
1. Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist, wobei eine Rezirkulationsleitung vorgesehen ist, durch welche Abgas aus dem Anodenraum in einen Bereich vor dem Anodenraum zurückführbar ist, und wobei im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums wenigstens ein Mittel zum Austragen von Medien vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Mittel als Ventileinrichtung (13) ausgebildet ist, welche einen schaltbaren Strömungsweg (19) und einen Überströmweg (21) aufweist.A fuel cell system having at least one fuel cell, which has an anode space and a cathode space, wherein a recirculation line is provided, through which exhaust gas from the anode space in an area in front of the anode space is traceable, and wherein at least one in the region of the recirculation line and / or the anode space Means is provided for discharging media, characterized in that the at least one means as a valve means (13) is formed, which has a switchable flow path (19) and an overflow path (21).
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) genau eine Ventileinrichtung (13) aufweist.2. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the region of the recirculation line (7) and / or the anode chamber (3) has exactly one valve device (13).
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmweg (21) als eigenständiges Leitungselement um den schaltbaren Strömungsweg (19) der Ventileinrichtung (13) ausgebildet ist.3. Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the overflow (21) is formed as an independent line element to the switchable flow path (19) of the valve device (13).
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmweg (21) als Kanalelement in die Ventileinrichtung (13) integriert um den schaltbaren Strömungsweg (19) der Ventileinrichtung (13) ausgebildet ist.4. Fuel cell system according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the overflow (21) as a channel element in the valve device (13) integrated around the switchable flow path (19) of the valve device (13) is formed.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmweg (21) als gezielte Öffnung (27,28) in dem schaltbaren Strömungsweg (19) der Ventileinrichtung (13) ausgebildet ist.5. Fuel cell system according to claim 4, characterized in that the overflow path (21) is designed as a specific opening (27, 28) in the switchable flow path (19) of the valve device (13).
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Öffnung als Ausnehmung (27) oder Bohrung (28) im Bereich eines Ventilstößels (25) und/oder eines Ventilsitzes (24) ausgebildet ist.6. Fuel cell system according to claim 5, characterized in that the targeted opening as a recess (27) or bore (28) in the region of a valve tappet (25) and / or a valve seat (24) is formed.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmweg (21) eine Blende (22) aufweist, durch welche sein durchströmbarer Querschnitt festgelegt ist.7. Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the overflow (21) has a diaphragm (22) through which its flow-through cross section is fixed.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (22) als feste Blende ausgebildet ist.8. Fuel cell system according to claim 6, characterized in that the diaphragm (22) is designed as a fixed diaphragm.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (22) als flexible Blende ausgebildet ist, deren Öffnungsquerschnitt (29) sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz auf den beiden Seiten der Blende (22) selbsttätig ändert.9. Fuel cell system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the diaphragm (22) is designed as a flexible diaphragm whose opening cross-section (29) automatically changes depending on the pressure difference on the two sides of the diaphragm (22).
10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (22) ihren durchströmbaren Querschnitt (29) mit zunehmenden Druck im Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) vergrößert.10. Fuel cell system according to claim 9, characterized in that the aperture (22) increases its flow-through cross-section (29) with increasing pressure in the region of the recirculation line (7) and / or the anode space (3).
11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Rezirkulationsleitung (7) einen Wasserabscheider (12) aufweist, wobei die Ventileinrichtung (13) im Auslassbereich des Wasserabscheiders (12) angeordnet ist. 11. Fuel cell system according to one of claims 1 to 10, characterized in that the region of the recirculation line (7) has a water separator (12), wherein the valve device (13) in the outlet region of the water separator (12) is arranged.
12. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ventileinrichtung (13) der Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) mit dem Bereich der Kathode (4), insbesondere dem Bereich der Zuluft zur Kathode (4), verbunden ist.12. Fuel cell system according to one of claims 1 to 11, characterized in that by the valve means (13) of the region of the recirculation line (7) and / or the anode chamber (3) with the region of the cathode (4), in particular the region of the supply air to the cathode (4) is connected.
13. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass, über die Ventileinrichtung (13) Medien in zwei verschiedenen Aggregatzuständen ausgetragen werden.13. A method for operating a fuel cell system according to one of claims 1 to 12, characterized in that, are discharged via the valve means (13) media in two different states of aggregation.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrag der Medien aus dem Bereich der Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) in den Bereich der Kathode (4), insbesondere in den Bereich der Zuluft zur Kathode (4), erfolgt.14. The method according to claim 13, characterized in that the discharge of the media from the region of the region of the recirculation line (7) and / or the anode chamber (3) in the region of the cathode (4), in particular in the region of the supply air to the cathode (4).
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare Strömungsweg (19) der Ventileinrichtung (13) immer nur dann geöffnet wird, wenn die Wasserstoffkonzentration im Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) unter einen vorgegebenen Wert fällt.15. The method according to claim 13 or 14, characterized in that the switchable flow path (19) of the valve device (13) is always opened only when the hydrogen concentration in the recirculation line (7) and / or the anode compartment (3) under a predetermined value falls.
16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare Strömungsweg (19) der Ventileinrichtung (13) immer nur dann geöffnet wird, wenn die Wassermenge im Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) über einen vorgegebenen Wert ansteigt.16. The method according to claim 13, 14 or 15, characterized in that the switchable flow path (19) of the valve device (13) is always opened only when the amount of water in the recirculation line (7) and / or the anode compartment (3) rises above a predetermined value.
17. Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Überströmweg (21) strömende Volumenstrom durch eine aktive Veränderung der Drücke im Bereich der Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) und im Bereich der Kathode (4), insbesondere dem Bereich der Zuluft zur Kathode (4), beeinflusst wird.17. The method according to claim 14, 15 or 16, characterized in that the through the overflow (21) flowing volume flow by an active change in the pressures in the region of the recirculation line (7) and / or the anode chamber (3) and in the region of the cathode (4), in particular the region of the supply air to the cathode (4), is influenced.
18. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 17, in einem Transportmittel auf dem Land, im Wasser oder in der Luft.18. Use of a fuel cell system according to any one of claims 1 to 12 or a method according to any one of claims 13 to 17, in a means of transport on land, in the water or in the air.
19. Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass über das Brennstoffzellensystem (1) elektrische Energie für den Antrieb erzeugt wird. 19. Use according to claim 18, characterized in that via the fuel cell system (1) electrical energy is generated for the drive.
PCT/EP2010/001551 2009-03-24 2010-03-11 Fuel cell system having at least one fuel cell WO2010108605A2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009014590.7 2009-03-24
DE102009014590A DE102009014590A1 (en) 2009-03-24 2009-03-24 Fuel cell system with at least one fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2010108605A2 true WO2010108605A2 (en) 2010-09-30
WO2010108605A3 WO2010108605A3 (en) 2010-11-18

Family

ID=42224767

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2010/001551 WO2010108605A2 (en) 2009-03-24 2010-03-11 Fuel cell system having at least one fuel cell

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102009014590A1 (en)
WO (1) WO2010108605A2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013083223A1 (en) * 2011-12-08 2013-06-13 Daimler Ag Liquid separator for a fuel cell system

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011109644A1 (en) * 2011-08-05 2013-02-07 Daimler Ag Fuel cell system with at least one fuel cell
DE102012020280A1 (en) * 2012-10-17 2013-11-28 Daimler Ag Water separator for anode circuit of fuel cell system used as electric drive power supply for vehicle, has blow-off line that is opened out with discharge valve which is extended upwards in water reservoir
DE102017214723A1 (en) * 2017-08-23 2019-02-28 Audi Ag Flow channel and fuel cell system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10115336A1 (en) 2001-03-28 2002-10-31 Gen Motors Corp Intellectual P Fuel cell system and method for operating a fuel cell system
DE10311785A1 (en) 2003-03-18 2004-09-30 Daimlerchrysler Ag Providing reagent to be reduced to anode region of fuel cell, involves increasing pressure in anode region to discharge medium, reducing pressure to introduce oxidation medium into anode region
WO2008052578A1 (en) 2006-10-31 2008-05-08 Daimler Ag Fuel cycle of a fuel cell system and method for operating a fuel cell system

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5059494A (en) * 1990-05-10 1991-10-22 International Fuel Cells Fuel cell power plant
JP2005158554A (en) * 2003-11-27 2005-06-16 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
US20050142400A1 (en) * 2003-12-31 2005-06-30 Nuvera Fuel Cells Safe purging of water from fuel cell stacks
JP2006107998A (en) * 2004-10-07 2006-04-20 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2006147455A (en) * 2004-11-24 2006-06-08 Honda Motor Co Ltd Valve for fuel cell system and fuel cell system
JP2006242327A (en) * 2005-03-04 2006-09-14 Nissan Motor Co Ltd Valve structure, frozen condition determining device, frozen condition predicting device, and valve controller

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10115336A1 (en) 2001-03-28 2002-10-31 Gen Motors Corp Intellectual P Fuel cell system and method for operating a fuel cell system
DE10311785A1 (en) 2003-03-18 2004-09-30 Daimlerchrysler Ag Providing reagent to be reduced to anode region of fuel cell, involves increasing pressure in anode region to discharge medium, reducing pressure to introduce oxidation medium into anode region
WO2008052578A1 (en) 2006-10-31 2008-05-08 Daimler Ag Fuel cycle of a fuel cell system and method for operating a fuel cell system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013083223A1 (en) * 2011-12-08 2013-06-13 Daimler Ag Liquid separator for a fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
DE102009014590A1 (en) 2010-09-30
WO2010108605A3 (en) 2010-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10201893B4 (en) Fuel cell system for installation in a motor vehicle and method for controlling the same
DE102009039445B4 (en) Process for draining liquid and/or gas
EP2399313B1 (en) Fuel cell system comprising at least one fuel cell
WO2013152836A1 (en) Anode circuit for a fuel cell
DE112007001734T5 (en) The fuel cell system
WO2009121560A1 (en) Fuel cell system and method for operating a fuel cell system
DE102021000329A1 (en) Fuel cell system with two parallel fuel cell systems
EP2258016A1 (en) Fuel cell system and method for operating a fuel cell system
DE102016115012A1 (en) Water separator for a fuel cell system, fuel cell system and method for operating a fuel cell system
DE102011109644A1 (en) Fuel cell system with at least one fuel cell
WO2021228915A2 (en) Fuel cell system
DE102012007377A1 (en) Fuel cell system i.e. proton-conducting membrane fuel cell system, for mobile application i.e. motor car, has pulsation device arranged in region of air flow and pulsatingly changing pressure, velocity and/or volume flow of air flow
EP2537202A1 (en) Fuel cell system comprising at least one fuel cell
WO2010108605A2 (en) Fuel cell system having at least one fuel cell
EP4282018A1 (en) Fuel cell assembly having two parallel fuel cell systems
DE102011122306A1 (en) Fuel cell system i.e. proton exchange membrane fuel cell system, for vehicle, has bypass valve arranged in exhaust pipe after fuel cell for bypassing components, where valve acts immediately up on or integrated in cathode chamber
WO2010108606A1 (en) Fuel cell system comprising an outlet on the side of the anode
DE102012003922A1 (en) Fuel cell system used for e.g. motor car, has fuel cell stack which is provided with terminals and ports for supply and discharge of reactants
WO2011157334A1 (en) Device for humidifying anode gas
EP2537200A1 (en) Fuel cell system having at least one fuel cell
DE102013003599A1 (en) Fuel cell system used for providing drive power to propelled vehicle, has protection element that is arranged between mouth and water vapor permeable membrane of humidifier by opening line element on downstream side of humidifier
DE102012018875A1 (en) Fuel cell system for providing electrical power to drive vehicle, has valve unit provided with flap that is pressed against operating fluid by force of restoring element, where valve unit is arranged in supply conduit and exhaust air duct
DE102013019818A1 (en) Anode circuit
DE102013014952A1 (en) Gas / gas humidifier
EP4150688A1 (en) Air supply apparatus for fuel cell systems, and fuel cell system

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: 10709797

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10709797

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2