WO2015139794A1 - Brennstoffzellenvorrichtung mit spülgaspfad - Google Patents

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WO2015139794A1
WO2015139794A1 PCT/EP2014/078543 EP2014078543W WO2015139794A1 WO 2015139794 A1 WO2015139794 A1 WO 2015139794A1 EP 2014078543 W EP2014078543 W EP 2014078543W WO 2015139794 A1 WO2015139794 A1 WO 2015139794A1
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gas path
fuel cell
cathode
cathode gas
input
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PCT/EP2014/078543
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Daniel Grundei
Oliver Berger
Oliver Kleppa
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Volkswagen Ag
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Publication date
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
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    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements 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
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell device with a fuel cell, a
  • a membrane-electrode assembly having a cathode and an anode, a cathode gas path for transporting a cathode gas, which extends through the membrane-electrode arrangement on the cathode side, and a purge gas path for transporting a housing flushing the purge gas during operation, which extends through the housing.
  • Remove fuel cell device For example, when switching off the
  • Fuel cell device may be necessary to purge the hydrogen from the anode gas path to remove hydrogen residues.
  • a fuel cell device is disclosed in DE 1 1 2008 000 254 T5. Furthermore, it may be necessary to flush the housing surrounding the membrane-electrode assembly in order to be able to remove hydrogen leaked from the anode gas path from the housing.
  • Fuel cell device is disclosed in US 2007/0231628 A1.
  • the invention is based on the object to provide a fuel cell device which is simple in construction and has a small footprint, hydrogen radicals can be removed with little effort from the housing.
  • the object is achieved in that a portion of the purge gas path passes through the cathode gas path.
  • a portion of the purge gas path passes through the cathode gas path.
  • the Spülgaspfad adapted to spatial conditions in the
  • Integrated cathode gas path to be able to use the available space efficiently.
  • the flushing gas path can be a separate upstream section arranged upstream of the housing and / or a separate downstream side of the housing
  • the purge gas path may extend through the cathode gas path.
  • the purge gas path may extend from an output of the output side separate portion to an output of the cathode gas path through the cathode gas path. Inputs and / or outputs of the cathode gas path and the purge gas path may thus be formed together, so that additional inputs and / or outputs for the purge gas path are not necessary.
  • the output of the separately formed portion of the purge gas path may open into an input-side portion of the cathode gas path.
  • the input-side section of the cathode gas path conducts cathode gas to the fuel cell and leads, for example, from the entrance of the cathode gas path to the membrane-electrode arrangement. Mouth of the
  • the entire length of the purge gas path may thus be longer than an output side length of the purge gas path behind the fuel cell, if it does not extend at least partially through the cathode gas path.
  • Hydrogen flushed out of the housing can be catalytically reacted because of the large exit-side length of the purge gas path and, for example, in the section in which the purge gas path extends through the cathode gas path. A separate means for the implementation of the flushed out of the housing hydrogen is therefore not necessary.
  • the output of the separate section with a compressor arranged in the cathode gas path on the input side gas-conducting connected.
  • the output is disposed between the cathode gas filter upstream of the compressor and the compressor, and preferably purge gas is conductively connected to the cathode gas path.
  • purge gas is conductively connected to an input of a arranged in the cathode gas compressor, during operation of the fuel cell device in the cathode gas path at the input of the compressor, a gas pressure may be lower than a pressure at the entrance of the purge gas and, for example, as the ambient pressure of the fuel cell device.
  • Such a pressure differentiation may be sufficient to convey the purge gas coming from the environment, for example, through the purge gas path and in particular through the housing, so that no fan moving the purge gas during operation through the purge gas path is necessary. As a result, the space required for the fuel cell device space is again reduced. In addition, this saves the energy required for the operation of the fan.
  • the fan may be provided for transporting the purge gas.
  • the fuel cell device may have the housing regardless of the position of the input and / or the output of the separate section, wherein the blower is preferably connected between the input and the output of the separate portion of the purge gas path.
  • the fan between the entrance of the purge gas path and the housing of the fuel cell is arranged to transport the purge gas with a relative to the ambient pressure increased pressure to the housing.
  • the output of the purge gas path and in particular the output of the output side separate portion of Spülgaspfades be formed separately from the cathode gas path, whereby the arrangement of the output is better adapted to the available space and a leading to the cathode gas path line for the purge gas is not necessary.
  • the space required for the Spülgaspfad space is again reduced.
  • Elements for the preparation of the cathode gas may be made smaller than elements which are formed for the preparation of the cathode gas and in addition flowing through the cathode gas path purge gas.
  • the purge gas path and in particular the section formed separately from the cathode gas path may have an input formed separately from the cathode gas path.
  • an inlet of the purge gas path formed independently of the cathode gas path it is possible to introduce the purge gas into the purge gas path independently of the cathode gas.
  • the purge gas can be taken directly from the ambient air and passed through a purge gas filter in the purge gas. A further treatment of the purge gas may not be necessary, whereas it may be necessary, the cathode gas
  • Elements of the fuel cell device for the preparation of the cathode gas can thus be dimensioned so that they only process the cathode gas and not additionally also the purge gas. Consequently, compared to the case where both the purge gas and the cathode gas need to be treated, these processing elements can be made smaller if only the cathode gas is to be treated.
  • the inlet of the separate section of the purge gas path contacts the cathode gas path in a gas-conducting manner.
  • the inlet of the separate section of the purge gas path contacts the cathode gas path in a gas-conducting manner.
  • the cathode gas filter can filter both the cathode gas and the purge gas.
  • a separate filter for the purge gas is therefore not necessary.
  • the inlet and the outlet of the separate section spaced from each other, the gas gas conductively contact the cathode gas path, whereby separate inputs and outputs and purge gas filter for the purge gas are unnecessary.
  • a continuous section of the cathode gas path preferably connects the inlet and the outlet of the separate section of the purge gas path directly to one another in a gas-conducting manner.
  • the continuous portion is formed to operate in the
  • Fuel cell device to generate a purge gas promoting pressure difference between the input and the output.
  • the inlet of the purge gas path is spaced in the flow direction of the cathode gas path and in front of the exit of the
  • Purging gas path is arranged, via the continuous line section of the
  • Kathodengaspfades drop a pressure difference of, for example, 100 millibars.
  • the pressure difference is caused by a flow resistance of the continuous section, when gas flows through it.
  • the continuous section is a conduit with an internal cross-sectional area of 20 mm 2 to 100 mm 2 and preferably 60 mm 2 and with a straight or at least one arc having course.
  • the input of the separate section of the purge gas path may be arranged on or in the flow direction behind the gas filter for the cathode gas.
  • the continuous section connects the entrance of the cathode gas path or the cathode gas filter to the entrance of the cathode gas filter along the
  • Cathode gas path downstream compressor cathode gas conductive downstream compressor cathode gas conductive.
  • the cathode gas filter so the cathode gas and the purge gas can flow.
  • the purge gas is separated from the gas flowing through the inlet of the cathode gas filter and directed through the fuel cell.
  • the purge gas re-enters the
  • Kathodengaspfad can be passed from there with the cathode gas through the compressor and the cathode side through the fuel cell.
  • the cathode gas emerging from the fuel cell which may comprise the purge gas, can be discharged from the fuel cell device without further ado and after any processing carried out.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of the
  • FIG. 2 is a schematic representation of another embodiment of the fuel cell device according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic representation of a third embodiment of the
  • FIG. 1 shows the fuel cell device 1 schematically with a fuel cell 2, a cathode gas path 3, a section of an anode gas path 4 and a purge gas path 5. Transport directions of gas through the cathode gas path 3, the anode gas path 4 and the purge gas path 5 are indicated by arrows.
  • the fuel cell 2 is formed with a membrane electrode assembly 6 and a housing 7, wherein the membrane electrode assembly 6 is arranged in the housing 7.
  • the cathode gas path 3 has an input 8, which may be formed, for example, as an input of a cathode gas filter 9.
  • the input 8 is preferably followed by a compressor 10, by means of which the cathode gas can be transported through the cathode gas path 3.
  • the compressor 10 can along the
  • Kathodengaspfades be further 3 elements downstream for the preparation of the cathode gas. These elements for the preparation of the cathode gas are along the
  • Cathode gas path 3 for example, between the compressor 10 and the fuel cell 2 is arranged.
  • the cathode gas path 3 a heat exchanger 1 1 for
  • Cathode gas path 3 have a moisture regulator 12, with which the water content of the cathode gas is changeable.
  • the heat exchanger 1 1 and / or the moisture regulator 12th can be bridged by bypasses. In the embodiment of Figure 1, only the moisture regulator 12 by means of a bypass of the cathode gas path 3 is shown bridged.
  • an input-side section 13 of the cathode gas path 3 extends.
  • the cathode gas path 3 extends on the cathode side through the membrane electrode assembly 6 and transports the cathode gas to the cathode of the membrane electrode assembly 6.
  • In the transport direction of the cathode gas path 3 behind the fuel cell 2 extends an output side portion 14 of the cathode gas path 3.
  • output-side section 14 opens into an outlet 15 of the cathode gas path 3 and may extend through another moisture regulator or even through the existing moisture regulator 12.
  • An input 16 of the separate portion of the purge gas path 5 is shown separated in the embodiment of Figure 1 and spaced from the input 8 of the cathode gas path 3 shown.
  • the inlet 16 of the separate section of the purge gas path 5 is designed, for example, as an inlet of a purge gas filter 17.
  • an optional fan 18 for transporting the purge gas through the purge gas path 5 is provided.
  • the fan 18 may be arranged in particular along the purge gas path 5 between the inlet 16 and the housing 7 of the fuel cell 2.
  • the purge gas path 5 extends through the fuel cell 2 and in particular along the membrane electrode assembly 6 through the housing 7. A volume surrounding the membrane electrode assembly 6 within the housing 7 can be flushed out using the purge gas. Between the input 16 and the fuel cell 2, an input-side portion 19 of the separate portion of the purge gas path 5 extends.
  • the separate portion of the purge gas path 5 and in particular its output-side portion 20 extends from the fuel cell 2 to the cathode gas path 3, in whose
  • Input-side section 13 of the separate portion of the purge gas path 5 opens.
  • the Purge gas path 5 of the embodiment of Figure 1 thus has separately from the cathode gas path 3 formed sections, namely the input-side portion 19 and the
  • the output 21 is in the embodiment of Figure 1 between the input 8 of
  • a lower gas pressure prevails in the cathode gas path 3 than in the surroundings of the fuel cell device 1 and in the input-side section 19 of the purge gas path 5. This pressure difference may be sufficient to transport sufficient purge gas through the fuel cell 2. If the pressure is insufficient or the fuel cell 2 can be purged even when the compressor 10 is at a standstill, the optional blower 18 can be provided.
  • the purge gas path 5 extends through the cathode gas path 3, so that the purge gas flows through the input side portion 13 of the cathode gas path 3 through the fuel cell 2 and through the output side portion 14 of the cathode gas path 3.
  • the output 15 of the cathode gas path 3 and an output 23 of the purge gas path 5 form in the embodiment of Figure 1 has a common output, through which the through the input 8 of
  • the portion of the cathode gas path 3 between the outlet 21 and the outlet 15 may be a manifold conducting the purge gas and the cathode gas.
  • FIG. 2 shows schematically a further embodiment of the invention
  • Fuel cell device 1 For elements which correspond in function and / or construction elements of the embodiment of Figure 1, the same reference numerals are used. For the sake of brevity, only the differences from the exemplary embodiment of FIG. 1 will be discussed below.
  • the input 16 of the separate section of the purge gas path 5 is not provided separately in the embodiment of FIG. Instead, the input 16 of the separate section of the purge gas path 5 in the embodiment of FIG. 2 is the input 8 of the cathode gas path 3 downstream and arranged for example between the input 8 and the compressor 10.
  • the input-side section 19 with the optional blower 18 extends between the input 16 and the fuel cell 2.
  • the input 16 may be connected to an output of the cathode gas filter 9.
  • the input 16 may also be followed by a continuous gas section 9 of the cathode gas filter 9 and leading away therefrom
  • Kathodengaspfades for example, a hose or pipe, branch off.
  • the output-side section 20 may be formed such that it no longer opens into the cathode gas path 3.
  • the outlet 23 of the purge gas path 5 can open into the surroundings of the fuel cell device 1.
  • Embodiment of Figure 2 extends from the input 8 to the input 16th
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the invention
  • Fuel cell device 1 schematically.
  • elements which correspond in function and / or construction elements of the previous embodiments the same reference numerals are used.
  • the sake of brevity it is only due to the differences to the previous ones
  • the input-side portion 19 of the purge gas path 5 corresponds to the embodiment shown in Figure 3, the input-side portion 19 of the embodiment of Figure 2.
  • Embodiment of Figure 3 corresponds to the output-side portion 20 of the purge gas path 5 of the embodiment of Figure 1.
  • the continuous section 24 connects the input 16 of the separate section of the purge gas path 5 with the outlet 21 of gas. In the transport direction of the cathode gas path 3, the input 16 is arranged in front of the output 21.
  • the continuous section 24 comprises the
  • Cathode gas filter 9 the continuous section 24 also consist only of a cathode gas line, such as a pipe or a hose.
  • the fuel cell device 1 of the embodiment of Figure 3 has two

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer Brennstoffzelle (2), die ein Gehäuse (7) und eine darin angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (6) mit einer Kathode und einer Anode aufweist, einem Kathodengaspfad (3) zum Transport eines Kathodengases, der sich kathodenseitig durch die Membran-Elektroden-Anordnung (6) erstreckt, und einem Spülgaspfad (5) zum Transport eines das Gehäuse (7) im Betrieb spülenden Spülgases, der sich durch das Gehäuse (7) erstreckt. Es ist vorgesehen, dass ein Abschnitt des Spülgaspfades (5) durch den Kathodengaspfad (3) verläuft. Hierdurch weist die Brennstoffzellenvorrichtung (1) einen kompakten und aus wenigen Teilen bestehenden Aufbau auf.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellenvorrichtung mit Spülgaspfad
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle, die ein
Gehäuse und eine darin angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Kathode und einer Anode aufweist, einen Kathodengaspfad zum Transport eines Kathodengases, der sich kathodenseitig durch die Membran-Elektroden-Anordnung erstreckt, und einen Spülgaspfad zum Transport eines das Gehäuse im Betrieb spülenden Spülgases, der sich durch das Gehäuse erstreckt.
Insbesondere wenn die Brennstoffzelle mit einem wasserstoffhaltigen Anodengas betrieben wird, kann es notwendig sein, Wasserstoff aus ausgewählten Bereichen der
Brennstoffzellenvorrichtung zu entfernen. Beispielsweise kann es beim Abschalten der
Brennstoffzellenvorrichtung notwendig sein, den Wasserstoff aus dem Anodengaspfad zu spülen, um Wasserstoffrückstände zu entfernen. Eine solche Brennstoffzellenvorrichtung ist in der DE 1 1 2008 000 254 T5 offenbart. Ferner kann es notwendig sein, das die Membran- Elektroden-Anordnung umgebende Gehäuse zu spülen, um aus dem Anodengaspfad ausgetretenen Wasserstoff aus dem Gehäuse entfernen zu können. Eine derartige
Brennstoffzellenvorrichtung ist in der US 2007/0231628 A1 offenbart.
Um das Spülgas zum Gehäuse hin und vom Gehäuse weg leiten zu können, ist im Stand der Technik bekannt, Leitungen zur Leitung und andere Bauteile, zum Beispiel zum Filtern des Spülgases vorzusehen. Diese zusätzlichen Leitungen oder sonstige zusätzlichen Bauteile des Spülgaspfades verkomplizieren jedoch den Aufbau der Brennstoffzellenvorrichtung und erfordern zusätzlichen Bauraum. Gerade wenn die Brennstoffzellenvorrichtung für den mobilen Einsatz, beispielsweise in einem Automobil vorgesehen ist, ist der Bauraum jedoch begrenzt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, die einfach aufgebaut ist und einen geringen Platzbedarf aufweist, wobei Wasserstoffreste mit geringem Aufwand aus dem Gehäuse entfernt werden können.
Für die eingangs genannte Brennstoffzellenvorrichtung ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Abschnitt des Spülgaspfades durch den Kathodengaspfad verläuft. Durch die Verwendung zumindest eines Abschnittes des Kathodengaspfades zur Leitung des Kathodengases und des Spülgases sind weniger Bauteile für separat ausgebildete Abschnitte des Spülgaspfades notwendig, sodass sich der für den Spülgaspfad benötigte Bauraum reduziert. Insbesondere, wenn als Spülgas und als Kathodengas das gleiche Gas, zum Beispiel Luft aus der Umgebung der Brennstoffzellenvorrichtung verwendet wird, kann das Spülgas ohne weiteres durch Abschnitte des Kathodengaspfades geleitet werden.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte und, sofern nicht anders ausgeführt, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
So kann der Spülgaspfad abschnittsweise durch einen sich zur Brennstoffzelle hin
erstreckenden eingangsseitigen Abschnitt und/oder durch einen sich von der Brennstoffzelle weg erstreckenden ausgangsseitigen Abschnitt des Kathodengaspfades verlaufen. Zumindest abschnittsweise kann der Spülgaspfad an räumliche Bedingungen angepasst in den
Kathodengaspfad integriert sein, um den zur Verfügung stehenden Bauraum effizient ausnutzen zu können.
Der Spülgaspfad kann einen dem Gehäuse vorgeschalteten eingangsseitigen separaten Abschnitt und/oder einen dem Gehäuse nachgeschalteten ausgangsseitigen separaten
Abschnitt aufweisen. Von einem Eingang des Kathodengaspfades bis zu einem Eingang des eingangsseitigen separaten Abschnitts kann sich der Spülgaspfad durch den Kathodengaspfad erstrecken. Alternativ oder zusätzlich kann sich der Spülgaspfad von einem Ausgang des ausgangsseitigen separaten Abschnitts bis zu einem Ausgang des Kathodengaspfades durch den Kathodengaspfad erstrecken. Eingänge und/oder Ausgänge des Kathodengaspfades und des Spülgaspfades können also gemeinsam ausgebildet sein, sodass zusätzliche Ein- und/oder Ausgänge für den Spülgaspfad nicht notwendig sind.
Der Ausgang des separat ausgebildeten Abschnitts des Spülgaspfades kann in einen eingangsseitigen Abschnitt des Kathodengaspfades münden. Der eingangsseitige Abschnitt des Kathodengaspfades leitet Kathodengas zur Brennstoffzelle und führt beispielsweise vom Eingang des Kathodengaspfades bis zur Membran-Elektroden-Anordnung. Mündet der
Ausgang des separaten Abschnitts des Spülgaspfades in den eingangsseitigen Abschnitt des Kathodengaspfades, so entspricht die Länge des Spülgaspfades der Summe der Länge des separaten Abschnittes des Spülgaspfades und einer Länge zumindest des Abschnittes des Kathodengaspfades, durch den das Spülgas im Betrieb der Brennstoffzelle geleitet wird.
Insbesondere in einer Transportrichtung des Spülgases hinter der Brennstoffzelle kann die gesamte Länge des Spülgaspfades also länger sein, als eine ausgangsseitige Länge des Spülgaspfades hinter der Brennstoffzelle, wenn sich dieser nicht zumindest abschnittsweise durch den Kathodengaspfad erstreckt. Aus dem Gehäuse ausgespülter Wasserstoff kann aufgrund der großen ausgangsseitigen Länge des Spülgaspfades und beispielsweise in dem Abschnitt, in dem sich der Spülgaspfad durch den Kathodengaspfad erstreckt, katalytisch umgesetzt werden. Eine separate Einrichtung zur Umsetzung des aus dem Gehäuse ausgespülten Wasserstoffes ist somit nicht notwendig.
Vorzugsweise ist der Ausgang des separaten Abschnitts mit einem im Kathodengaspfad angeordneten Verdichter eingangsseitig Gas leitend verbunden. Insbesondere kann der Ausgang an einer dem Verdichter vorgeschalteten Zusammenflussstelle in den
Kathodengaspfad münden. Zum Beispiel ist der Ausgang zwischen dem ,dem Verdichter vorgeschalteten Kathodengasfilter und dem Verdichter angeordnet und vorzugsweise Spülgas leitend mit dem Kathodengaspfad verbunden. Ist der Ausgang des separaten Abschnitts des Spülgaspfades Spülgas leitend mit einem Eingang eines im Kathodengaspfad angeordneten Verdichters verbunden, kann im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung im Kathodengaspfad am Eingang des Verdichters ein Gasdruck geringer sein als ein Druck am Eingang der Spülgasleitung und beispielsweise als der Umgebungsdruck der Brennstoffzellenvorrichtung. Ein derartiger Druckunterscheid kann ausreichen, um das zum Beispiel aus der Umgebung kommende Spülgas durch den Spülgaspfad und insbesondere durch das Gehäuse zu befördern, sodass kein das Spülgas im Betrieb durch den Spülgaspfad bewegendes Gebläse notwendig ist. Hierdurch ist der für die Brennstoffzellenvorrichtung benötigte Bauraum wiederum reduziert. Außerdem wird hierdurch die für den Betrieb des Gebläses benötigte Energie gespart.
Soll das Gehäuse jedoch auch mit Spülgas gespült werden, wenn der Verdichter nicht im Betrieb oder der Druckunterschied zu gering ist, so kann das Gebläse zum Transport des Spülgases vorgesehen sein. Die Brennstoffzellenvorrichtung kann das Gehäuse dabei unabhängig von der Position des Eingangs und/oder des Ausgangs des separaten Abschnitts aufweisen, wobei das Gebläse vorzugsweise zwischen dem Eingang und dem Ausgang des separaten Abschnitts des Spülgaspfades geschaltet ist. Beispielsweise ist das Gebläse zwischen dem Eingang des Spülgaspfades und dem Gehäuse der Brennstoffzelle angeordnet, um das Spülgas mit einem im Vergleich zum Umgebungsdruck erhöhten Druck zum Gehäuse zu transportieren. Alternativ kann der Ausgang des Spülgaspfades und insbesondere der Ausgang des ausgangsseitigen separaten Abschnittes des Spülgaspfades getrennt vom Kathodengaspfad ausgeformt sein, wodurch die Anordnung des Ausgangs besser an den zur Verfügung stehenden Bauraum anpassbar ist und eine zum Kathodengaspfad führende Leitung für das Spülgas nicht notwendig ist. Insbesondere ist eine womöglich viel Bauraum und eine lange Wegstrecke benötigende Verbindung eines entlang einer Spülgastransportrichtung des Spülgaspfades hinter der Brennstoffzelle liegenden Abschnittes des Spülgaspfades, der zum Kathodengaspfad führt, nicht notwendig. Dadurch ist der für den Spülgaspfad benötigte Bauraum wiederum reduziert. Ferner kann es notwendig sein, das durch die Brennstoffzelle hindurchgetretene Kathodengas aufzubereiten und beispielsweise dessen Wassergehalt zu regulieren. Elemente zur Aufbereitung des Kathodengases können kleiner ausgebildet sein als Elemente, die zur Aufbereitung des Kathodengases und zusätzlich durch den Kathodengaspfad strömenden Spülgases ausgebildet sind.
Der Spülgaspfad und insbesondere der separat vom Kathodengaspfad ausgebildete Abschnitt können einen getrennt vom Kathodengaspfad ausgeformten Eingang aufweisen. Mit einem unabhängig vom Kathodengaspfad ausgebildeten Eingang des Spülgaspfades ist es möglich, das Spülgas unabhängig vom Kathodengas in den Spülgaspfad einzuleiten. Beispielsweise kann das Spülgas direkt aus der Umgebungsluft entnommen und durch einen Spülgasfilter in den Spülgaspfad geleitet werden. Eine weitere Aufbereitung des Spülgases ist dabei möglicherweise nicht nötig, wohingegen es notwendig sein kann, das Kathodengas
aufzubereiten und insbesondere dessen Wassergehalt oder dessen Temperatur zu regulieren. Elemente der Brennstoffzellenvorrichtung zur Aufbereitung des Kathodengases können also so dimensioniert sein, dass sie ausschließlich das Kathodengas und nicht zusätzlich auch das Spülgas aufbereiten. Folglich können diese Aufbereitungselemente im Vergleich zu dem Fall, dass sowohl das Spülgas als auch das Kathodengas aufbereitet werden müssen, kleiner dimensioniert sein, wenn lediglich das Kathodengas aufbereitet werden soll.
Vorzugsweise kontaktiert der Eingang des separaten Abschnittes des Spülgaspfades den Kathodengaspfad jedoch Gas leitend. Zum Beispiel in einer Transportrichtung des
Kathodengaspfades hinter dem Eingang des Kathodengaspfades und beispielsweise hinter einem Eingang eines Kathodengasfilters ist der Eingang Gas leitend an den Kathodengaspfad angeschlossen. Somit kann der Kathodengasfilter sowohl das Kathodengas als auch das Spülgas filtern. Ein separater Filter für das Spülgas ist daher nicht notwendig. Insbesondere können der Eingang und der Ausgang des separaten Abschnitts beabstandet zueinander den Kathodengaspfad Gas leitend kontaktieren, wodurch separate Ein- und Ausgänge sowie Spülgasfilter für das Spülgas unnötig werden. Ein durchgängiger Abschnitt des Kathodengaspfades verbindet vorzugsweise den Eingang und den Ausgang des separaten Abschnitts des Spülgaspfades direkt Gas leitend miteinander.
Vorzugsweise ist der durchgängige Abschnitt ausgebildet, um im Betrieb der
Brennstoffzellenvorrichtung eine das Spülgas fördernde Druckdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang zu erzeugen. Insbesondere wenn der Eingang des Spülgaspfades in der Strömungsrichtung des Kathodengaspfades beabstandet und vor dem Ausgang des
Spülgaspfades angeordnet ist, kann über den durchgängigen Leitungsabschnitt des
Kathodengaspfades ein Druckunterschied von beispielsweise 100 Millibar abfallen. Der Druckunterschied entsteht durch einen Strömungswiderstand des durchgängigen Abschnittes, wenn Gas durch diesen strömt. Beispielsweise ist der durchgängige Abschnitt eine Leitung mit einer inneren Leitungsquerschnittsfläche von 20 mm2 bis 100 mm2 und vorzugsweise 60 mm2 und mit einem geraden oder zumindest einen Bogen aufweisenden Verlauf. Dabei kann der Eingang des separaten Abschnitts des Spülgaspfades an oder in Strömungsrichtung hinter dem Gasfilter für das Kathodengas angeordnet sein.
Der durchgängige Abschnitt verbindet beispielsweise den Eingang des Kathodengaspfades oder den Kathodengasfilter mit dem Eingang des dem Kathodengasfilter entlang des
Kathodengaspfades nachgeschalteten Verdichters Kathodengas leitend. Durch den Eingang des Kathodengasfilters können also das Kathodengas und das Spülgas strömen. Am Eingang des separaten Abschnitts des Spülgaspfades wird das Spülgas von dem durch den Eingang des Kathodengasfilters geströmten Gas getrennt und durch die Brennstoffzelle geleitet. Am Ausgang des separaten Abschnitts des Spülgaspfades tritt das Spülgas wieder in den
Kathodengaspfad ein und kann von dort mit dem Kathodengas durch den Verdichter und kathodenseitig durch die Brennstoffzelle geleitet werden. Das aus der Brennstoffzelle austretende Kathodengas, das das Spülgas umfassen kann, kann ohne Weiteres und nach einer gegebenenfalls durchgeführten Aufbereitung aus der Brennstoffzellenvorrichtung abgelassen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung, und
Figur 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften
Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der Figur 1 beschrieben.
Figur 1 zeigt die Brennstoffzellenvorrichtung 1 schematisch mit einer Brennstoffzelle 2, einem Kathodengaspfad 3, einem Abschnitt eines Anodengaspfades 4 und einem Spülgaspfad 5. Transportrichtungen von Gas durch den Kathodengaspfad 3, den Anodengaspfad 4 und den Spülgaspfad 5 sind durch Pfeile dargestellt.
Die Brennstoffzelle 2 ist mit einer Membran-Elektroden-Anordnung 6 und einem Gehäuse 7 ausgebildet, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung 6 im Gehäuse 7 angeordnet ist.
Der Kathodengaspfad 3 weist einen Eingang 8 auf, der beispielsweise als ein Eingang eines Kathodengasfilters 9 ausgebildet sein kann. Entlang des Kathodengaspfades 3 ist dem Eingang 8 vorzugsweise ein Verdichter 10 nachgeschaltet, mithilfe dessen das Kathodengas durch den Kathodengaspfad 3 transportiert werden kann. Dem Verdichter 10 können entlang des
Kathodengaspfades 3 weitere Elemente zur Aufbereitung des Kathodengases nachgeschaltet sein. Diese Elemente zur Aufbereitung des Kathodengases sind entlang des
Kathodengaspfades 3 beispielsweise zwischen dem Verdichter 10 und der Brennstoffzelle 2 angeordnet. Zum Beispiel kann der Kathodengaspfad 3 einen Wärmetauscher 1 1 zum
Temperieren des Kathodengases aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der
Kathodengaspfad 3 einen Feuchtigkeitsregulator 12 aufweisen, mit dem der Wassergehalt des Kathodengases änderbar ist. Der Wärmetauscher 1 1 und/oder der Feuchtigkeitsregulator 12 können durch Bypässe überbrückbar sein. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist lediglich der Feuchtigkeitsregulator 12 mithilfe eines Bypasses des Kathodengaspfades 3 überbrückbar dargestellt.
Zwischen dem Eingang 8 und der Brennstoffzelle 2 erstreckt sich ein eingangsseitiger Abschnitt 13 des Kathodengaspfades 3.
Der Kathodengaspfad 3 erstreckt sich kathodenseitig durch die Membran-Elektroden- Anordnung 6 und transportiert das Kathodengas zur Kathode der Membran-Elektroden- Anordnung 6. In der Transportrichtung des Kathodengaspfades 3 hinter der Brennstoffzelle 2 erstreckt sich ein ausgangsseitiger Abschnitt 14 des Kathodengaspfades 3. Der
ausgangsseitige Abschnitt 14 mündet in einen Ausgang 15 des Kathodengaspfades 3 und kann sich durch einen weiteren Feuchtigkeitsregulator oder sogar durch den bereits vorhandenen Feuchtigkeitsregulator 12 erstrecken.
Ein Eingang 16 des separaten Abschnitts des Spülgaspfades 5 ist im Ausführungsbeispiel der Figur 1 getrennt und beabstandet vom Eingang 8 des Kathodengaspfades 3 ausgebildet dargestellt. Der Eingang 16 des separaten Abschnitts des Spülgaspfades 5 ist zum Beispiel als ein Eingang eines Spülgasfilters 17 ausgestaltet.
In der Transportrichtung des Spülgaspfades 5 hinter dem Eingang 16 ist ein optionales Gebläse 18 zum Transport des Spülgases durch den Spülgaspfad 5 vorgesehen. Das Gebläse 18 kann insbesondere entlang des Spülgaspfades 5 zwischen dessen Eingang 16 und dem Gehäuse 7 der Brennstoffzelle 2 angeordnet sein.
Der Spülgaspfad 5 erstreckt sich durch die Brennstoffzelle 2 und insbesondere entlang der Membran-Elektroden-Anordnung 6 durch das Gehäuse 7. Ein die Membran-Elektroden- Anordnung 6 umgebendes Volumen innerhalb des Gehäuses 7 kann mithilfe des Spülgases ausgespült werden. Zwischen dem Eingang 16 und der Brennstoffzelle 2 erstreckt sich ein eingangsseitiger Abschnitt 19 des separaten Abschnitts des Spülgaspfades 5.
In der Transportrichtung des Spülgaspfades 5 hinter der Brennstoffzelle 2 erstreckt sich ein ausgangsseitiger Abschnitt 20 des separaten Abschnitts des Spülgaspfades 5. Der separate Abschnitt des Spülgaspfades 5 und insbesondere dessen ausgangsseitiger Abschnitt 20 erstreckt sich von der Brennstoffzelle 2 bis zum Kathodengaspfad 3, in dessen
eingangsseitigen Abschnitt 13 der separate Abschnitt des Spülgaspfades 5 mündet. Der Spülgaspfad 5 des Ausführungsbeispiels der Figur 1 weist also separat vom Kathodengaspfad 3 ausgebildete Abschnitte, nämlich den eingangsseitigen Abschnitt 19 und den
ausgangsseitigen Abschnitt 20 auf. An einem der Brennstoffzelle 2 nachgeschalteten Ausgang 21 des separat ausgebildeten Abschnitts des Spülgaspfades 5 vermengt sich das Spülgas mit dem Kathodengas.
Der Ausgang 21 ist im Ausführungsbeispiel der Figur 1 zwischen dem Eingang 8 des
Kathodengaspfades 3 und der Brennstoffzelle 2 und insbesondere vor dem Verdichter 10 geschaltet. Vor dem Verdichter 10 herrscht im Kathodengaspfad 3 ein geringerer Gasdruck, als in der Umgebung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 und als im eingangsseitigen Abschnitt 19 des Spülgaspfades 5. Diese Druckdifferenz kann ausreichen, um genügend Spülgas durch die Brennstoffzelle 2 zu transportieren. Sollte der Druck nicht ausreichen oder auch bei einem Stillstand des Verdichters 10 die Brennstoffzelle 2 gespült werden können, kann das optionale Gebläse 18 vorgesehen sein.
Hinter dem Ausgang 21 des separat ausgebildeten Abschnitts des Spülgaspfades 5 erstreckt sich der Spülgaspfad 5 durch den Kathodengaspfad 3, sodass das Spülgas durch den eingangsseitigen Abschnitt 13 des Kathodengaspfades 3 durch die Brennstoffzelle 2 und durch den ausgangsseitigen Abschnitt 14 des Kathodengaspfades 3 strömt. Der Ausgang 15 des Kathodengaspfades 3 und ein Ausgang 23 des Spülgaspfades 5 bilden im Ausführungsbeispiel der Figur 1 einen gemeinsamen Ausgang, durch den das durch den Eingang 8 des
Kathodengaspfades 3 und den Eingang 16 des Spülgaspfades 5 eingetretene Gas im Betrieb austritt.
Der Abschnitt des Kathodengaspfades 3 zwischen dem Ausgang 21 und dem Ausgang 15 kann eine das Spülgas und das Kathodengas leitende Sammelleitung sein.
Figur 2 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenvorrichtung 1 . Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen des Ausführungsbeispiels der Figur 1 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der Figur 1 eingegangen.
Der Eingang 16 des separaten Abschnitts des Spülgaspfades 5 ist im Ausführungsbeispiel der Figur 2 nicht separat vorgesehen. Vielmehr ist der Eingang 16 des separaten Abschnitts des Spülgaspfades 5 im Ausführungsbeispiel der Figur 2 dem Eingang 8 des Kathodengaspfades 3 nachgeschaltet und beispielsweise zwischen dem Eingang 8 und dem Verdichter 10 angeordnet. Der eingangsseitige Abschnitt 19 mit dem optionalen Gebläse 1 8 erstreckt sich zwischen dem Eingang 16 und der Brennstoffzelle 2. Beispielsweise kann der Eingang 16 an einen Ausgang des Kathodengasfilters 9 angeschlossen sein. Alternativ und wie mit der gestrichelten Linie dargestellt kann der Eingang 16 auch von einem dem Kathodengasfilter 9 nachgeschalten und von diesem weg führenden durchgängigen Abschnitt 24 des
Kathodengaspfades 3, zum Beispiel ein Schlauch oder ein Rohr, abzweigen.
Nach dem Durchströmen der Brennstoffzelle 2 kann der ausgangsseitige Abschnitt 20 so ausgebildet sein, dass er nicht mehr in den Kathodengaspfad 3 mündet. Beispielsweise kann der Ausgang 23 des Spülgaspfades 5 in die Umgebung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 münden.
Die das Spülgas und das Kathodengas im Betrieb führende Sammelleitung des
Ausführungsbeispiels der Figur 2 erstreckt sich vom Eingang 8 bis zum Eingang 16.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenvorrichtung 1 schematisch. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der bisherigen Ausführungsbeispiele entsprechend, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist lediglich auf die Unterschiede zu den bisherigen
Ausführungsbeispielen eingegangen.
Der eingangsseitige Abschnitt 19 des Spülgaspfades 5 entspricht dem in der Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel dem eingangsseitigen Abschnitt 19 des Ausführungsbeispiels der Figur 2. Der ausgangseitige Abschnitt 20 des separaten Abschnitts des Spülgaspfades 5 des
Ausführungsbeispiels der Figur 3 entspricht jedoch dem ausgangsseitigen Abschnitt 20 des Spülgaspfades 5 des Ausführungsbeispiels der Figur 1 . Der durchgängige Abschnitt 24 verbindet den Eingang 16 des separaten Abschnitts des Spülgaspfades 5 mit dessen Ausgang 21 Gas leitend. In der Transportrichtung des Kathodengaspfades 3 ist der Eingang 16 vor dem Ausgang 21 angeordnet. Beispielsweise umfasst der durchgängige Abschnitt 24 den
Kathodengasfilter 9. Alternativ kann der durchgängige Abschnitt 24 auch lediglich aus einer Kathodengasleitung, etwa ein Rohr oder ein Schlauch, bestehen.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels der Figur 3 weist zwei
Sammelleitungen auf, nämlich die Sammelleitungen der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele. Bezugszeichenliste Brennstoffzellenvorrichtung
Brennstoffzelle
Kathodengaspfad
Anodengaspfad
Spülgaspfad
Membran-Elektroden-Anordnung
Gehäuse
Eingang des Kathodengaspfades
Kathodengasfilter
Verdichter
Wärmetauscher
Feuchtigkeitsregulator
eingangsseitiger Abschnitt des Kathodengaspfades
ausgangsseitiger Abschnitt des Kathodengaspfades
Ausgang des Kathodengaspfades
Eingang des separaten Abschnitts des Spülgaspfades
Spülgasfilter
Gebläse
eingangsseitiger Abschnitt des separaten Abschnitts des Spülgaspfades ausgangsseitiger Abschnitt des separaten Abschnitts des Spülgaspfades Ausgang des separat ausgebildeten Abschnitts des Spülgaspfades Ausgang des separaten Abschnitts des Spülgaspfades
durchgängiger Abschnitt des Kathodengaspfades

Claims

Patentansprüche
1 . Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) mit einer Brennstoffzelle (2), die ein Gehäuse (7) und eine darin angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (6) mit einer Kathode und einer Anode aufweist, einem Kathodengaspfad (3) zum Transport eines Kathodengases, der sich kathodenseitig durch die Membran-Elektroden-Anordnung (6) erstreckt, und einem
Spülgaspfad (5) zum Transport eines das Gehäuse (7) im Betrieb spülenden Spülgases, der sich durch das Gehäuse (7) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des Spülgaspfades (5) durch den Kathodengaspfad (3) verläuft.
2. Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Spülgaspfad (5) abschnittsweise durch einen sich zur Brennstoffzelle (2) hin erstreckenden eingangsseitigen Abschnitt (13) und/oder durch einen sich von der Brennstoffzelle (2) weg erstreckenden ausgangsseitigen Abschnitt (14) des Kathodengaspfades (3) verläuft.
3. Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülgaspfad (5) einen dem Gehäuse (7) vorgeschalteten eingangsseitigen separaten Abschnitt (19) und einen dem Gehäuse (7) nachgeschalteten ausgangsseitigen separaten Abschnitt (20) aufweist, und sich der Spülgaspfad (5) von einem Eingang (8) des
Kathodengaspfades (3) bis zu einem Eingang (16) des eingangsseitigen separaten Abschnitts (19) und/oder von einem Ausgang (21 ) des ausgangsseitigen separaten Abschnitts (20) bis zu einem Ausgang (15) des Kathodengaspfades (3) durch den
Kathodengaspfad (3) erstreckt.
4. Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (21 ) des separaten Abschnitts (19, 20) in einen eingangsseitigen Abschnitt (13) des Kathodengaspfades (3) mündet.
5. Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (21 ) des separaten Abschnitts (19, 20) mit einem im Kathodengaspfad (3) angeordneten Verdichter (10) eingangsseitig Gas leitend verbunden ist.
6. Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der Eingang (16) des separaten Abschnitts (19, 20) in einer Transportrichtung des Kathodengaspfades (3) hinter einem Eingang (8) eines Kathodengasfilters (9) den Kathodenpfad (3) Gas leitend kontaktiert.
7. Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der Eingang (16) und der Ausgang (21 ) beabstandet zueinander den Kathodengaspfad (3) Gas leitend kontaktieren.
8. Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein durchgängiger Abschnitt (24) des Kathodengaspfades (3) den Eingang (16) und den Ausgang (21 ) Gas leitend miteinander verbindet.
9. Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der durchgängige Abschnitt (24) ausgebildet ist, im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) eine das Spülgas fördernde Druckdifferenz zwischen dem Eingang (16) und dem Ausgang (21 ) zu erzeugen.
10. Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet, durch ein Gebläse (18) zum Transport des Spülgases.
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