WO2015154847A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2015154847A1
WO2015154847A1 PCT/EP2015/000616 EP2015000616W WO2015154847A1 WO 2015154847 A1 WO2015154847 A1 WO 2015154847A1 EP 2015000616 W EP2015000616 W EP 2015000616W WO 2015154847 A1 WO2015154847 A1 WO 2015154847A1
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WO
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fuel cell
cathode
cell system
line
housing
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PCT/EP2015/000616
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Inventor
Hans-Jörg Heidrich
Original Assignee
Daimler Ag
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Publication date
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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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
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the invention relates to a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell system.
  • Fuel cell systems are known from the general state of the art. In fuel cell systems, so-called PEM fuel cells are often used
  • Fuel cell stack are stacked.
  • the fuel cell is often referred to in this case as a fuel cell stack.
  • Each of these fuel cells of the fuel cell stack contains a so-called membrane electrode unit (MEA).
  • MEA membrane electrode unit
  • These membrane electrode units comprise the actual electrolyte in the form of the membrane and on each side of this membrane an electrode, which with
  • noble metal-containing catalysts is coated. These catalysts are typically platinum on the cathode side and platinum or platinum / ruthenium on the anode side. During normal operation of the fuel cell, these catalysts help to oxidize the hydrogen to H + ions and to reduce the oxygen on the cathode side.
  • shuttdown of the fuel cell can cause increased corrosion of these catalysts, especially when oxygen is still present on the cathode side and an uneven gas composition prevails on the anode side, for example hydrogen and oxygen or air in different regions of the anode.
  • a hydrogen / air front passes through the anode compartment of the fuel cell. If, in this situation, oxygen is still present or already present in the cathode space, too high cathode potentials occur during the starting process and thus corrosion of the cathode catalyst. With increasing corrosion of the
  • Cathode catalyst decreases its electrochemical activity and the fuel cell loses performance and service life. This degradation due to the corrosion of the catalyst should therefore be prevented.
  • Vehicle may come to a re-entry of oxygen into the cathode compartment. Then the problem described above occurs particularly intensively.
  • valves can be used to keep the cathode side at standstill
  • Embodiment of the method results from the dependent therefrom dependent claim.
  • the fuel cell itself is arranged in a manner known per se in a housing.
  • a housing which surrounds the fuel cell typically spaced, is alone for safety reasons at almost every one
  • the oxygen-depleted exhaust air from the fuel cell itself be used, which is available anyway.
  • exhaust air from the fuel cell can be returned together with the moisture contained in it in a manner known per se and together with fresh supply air
  • Fuel cell to be supplied This leads to a slightly lower oxygen content in the air present in the cathode space, but allows the waiver of additional humidification, since the moisture can be recycled accordingly. Now it is so that in the cathode recirculation line so there is a depleted of oxygen medium, which is ideally suited to be introduced into the housing of the fuel cell. In particular, when switching off the fuel cell system, it is now possible to maintain the cathode recirculation with the air supply switched off, so that the then in the cathode compartment and the
  • Circulated circulating cathode circulating line At the same time, hydrogen can still be present or added in the anode chamber. The oxygen in the circulated air in the cathode chamber and the cathode recirculation line is then at least approximately completely consumed.
  • the current drain during this phase can be voltage-regulated, in particular in such a way that the individual cells are in a middle position
  • Voltage range are operated, which is uncritical with respect to a polarity reversal, for example, in the order of 0.8 - 0.85 V.
  • the current then adjusts automatically according to the existing residual oxygen concentration in the cathode compartment and the cathode recirculation line.
  • the current drain can be limited in time or pulsed to avoid a polarity reversal. After a certain time, the oxygen will be largely used up, so that
  • Fig. 6 relevant to the invention section of a fuel cell system indicated in principle in a sixth embodiment according to the invention.
  • a section of a fuel cell system 1 relevant for the invention can be seen.
  • the fuel cell system 1 can be used in particular for the provision of electrical drive power in a vehicle, not shown here.
  • the core of the fuel cell system 1 forms a fuel cell 2, which is constructed in particular as a stack of individual cells.
  • This fuel cell 2 which is also referred to as a fuel cell stack 2 due to its stacked construction, should preferably be realized in PEM technology.
  • a cathode compartment 3 and a 'anode chamber 4 is schematically indicated in the fuel cell stack. 2
  • the anode compartment 4 is supplied, for example, with hydrogen in a conventional manner.
  • the cathode space 3 of the fuel cell 2 is supplied with air as an oxygen supplier via an air conveying device 5, which is driven by an associated electric motor 6 in the embodiment of FIG.
  • the air passes through an air supply line 7 in the cathode compartment 3 of the fuel cell system 2.
  • exhaust air passes through an exhaust duct 8 from the cathode compartment 3 and flows in a first
  • This structure is from the general state of the art as so-called electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger) known.
  • ETC Electric Turbo Charger
  • the residual energy contained in the exhaust air of the fuel cell 2 in the form of heat and pressure is at least partially implemented in the turbine 9 and thus helps to drive the air conveyor 5.
  • system bypass 1 to recognize with a bypass valve 12.
  • a bypass valve 12 to recognize with a bypass valve 12.
  • the cathode output 13 connects to a cathode input 15.
  • Cathode recirculation line 14 is a recirculation blower 16 as
  • Drive motor 17 can be driven. This makes it possible to recirculate exhaust air from the cathode outlet 13 to the cathode inlet 15 in a manner known per se and to provide this exhaust air together with fresh supply air from the supply air line 7 to the cathode space 3.
  • the key advantage is that this also moisture is conveyed back so that consuming structures for humidification, such as a gas / gas humidifier or the like, can be completely dispensed with.
  • the fuel cell 2 is surrounded by a housing 18 in a manner known per se.
  • This housing 18 of the fuel cell 2 shields the fuel cell to the outside and typically provides mechanical protection for the fuel cell and also helps to retain any leaking hydrogen in the region of the housing 18 in the region of the fuel cell 2, so that this example abreacted defined and / or diluted diluted dissipates can be.
  • the housing 18 surrounding the fuel cell 2 is connected via a feed line 19 to the cathode recirculation line 14, in the exemplary embodiment shown here with its cathode input side part.
  • the housing 18 is designed without pressure and is connected via a discharge line 20 in the illustrated here
  • Embodiment will still be described, is under pressure.
  • a throttle 21 is indicated.
  • this now known manner can be operated so that due to the cathode recirculation to a humidification can be dispensed with entirely.
  • the housing 18 via the supply line 19 with the cathode recirculation line 14 a permanent depending on the setting of the throttle 21 slight flushing of the housing 18 is ensured during operation, so as to leak any hydrogen that occur in the housing 18 to the fuel cell stack 2 around can dilute and dissipate accordingly.
  • Fuel cell 3 can now be the circulated on the still operated recirculation fan 16 residual air flow in the cathode recirculation line 14 and the
  • Cathode space 3 are depleted of oxygen in the cathode compartment 3. In particular, this can be carried out in a voltage-controlled manner such that the mean voltage per individual cell of the fuel cell stack 2 is in the order of 0.8 to 0.85 V.
  • the existing predominantly nitrogen gas gas can be ensured over a very long downtime of the fuel cell 2 away an oxygen-free atmosphere in the fuel cell 2, which allows a very gentle for the fuel cell 2 restart even after a long downtime.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment which largely corresponds to the exemplary embodiment described in FIG. The only difference is disposed in the drain 20, a shut-off valve 22, which includes the oxygen-depleted or gas in the housing 18, so as to prevent it in this by convection or diffusion, for example by wind effects, with fresh
  • Fuel cell system 1, the cathode chamber 3 is purged with air to dry it out and so prevent freezing of water that inflow of fresh oxygen-containing air into the housing 18 can be prevented by closing the shut-off valve 22.
  • the construction of the fuel cell system 1 in the illustration of FIG. 3 likewise largely corresponds to the construction shown in the representation of FIGS. 1 and 2.
  • the differences are that on the one hand the housing 18 is under pressure, which can be seen from the fact that the throttle 21 is arranged in the region of the discharge line 20.
  • the other difference is that the supply line 19 on the output side of the
  • Kathodenraums 3 branches off the cathode recirculation line 14.
  • the air branched off at this point has the slight disadvantage that it will typically be more humid than the air branched off on the inlet side compared with the air branched off at the inlet side in the previous figures, on the other hand it has the advantage that it has a slightly lower oxygen concentration.
  • the recirculation blower 16 With sufficiently long operation of the recirculation blower 16 after switching off the fuel cell system. 1
  • the conditions are largely the same, so that, for example, in
  • Fuel cell system 1 can also be shared for the exhaust air from the housing 18.
  • the air conveyor 5 is in turn connected in a conventional manner with the electric motor 6.
  • the exhaust air turbine 9 also exists, but unlike in the representations of the previous figures not with the
  • Air conveyor 5 connected. Via a shaft 23, the turbine 9 is rather connected to the recirculation fan 16 and drives this in the manner of a Frei restructuringrs, ie a turbocharger, without additional electric machine to. Optionally, an additional electric machine would also be conceivable here.
  • the released energy in the turbine 9 is thus in the embodiment shown here to drive the
  • Air conveying device 5 via which the air then flows through the supply air line 7 in the representation of Figure 6 from below into the cathode compartment 3.
  • the exhaust air line 8 and the recirculation line 14 in their first section are again identical, wherein from the exhaust air line 8 before it leads into the environment via the turbine 9, again a part branches off as cathode recirculation line 14 and returns to the second compressor stage 24 as a recirculation blower 16 ,
  • a valve device 25 in the cathode recirculation line 14 the recirculation rate can then be adjusted accordingly and the recirculated cathode exhaust air, together with the fresh supply air to the air conveyor 5, returns as the first compressor stage via the second compressor stage 24 back to the cathode compartment 3.
  • the branch of the supply line 19 into the Housing 18 again corresponds to the structure shown in Figure 1, wherein the throttle 21 is arranged here in the region of the discharge line 20 in order to show this variant not yet shown in this combination also still. Furthermore, the system by-pass 11 with the bypass valve 12 in the representation of FIG. 6 can be seen again.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1 ) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (3) umfasst, und welche in einem die Brennstoffzelle (2) umgebenden Gehäuse (18) angeordnet ist, mit einer Kathodenrezirkulationsleitung (14) zum Zurückführen zumindest eines Teils der Kathodenabluft von einem Kathodenausgang (13) zu einem Kathodeneingang (15). Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) mittels einer Zuleitung (19) mit der Kathodenrezirkulationsleitung (14) verbunden ist.

Description

Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Bei Brennstoffzellensystemen kommen häufig sogenannte PEM-Brennstoffzellen zum
Einsatz, welche über Polymerelektrolytmembranen bzw. Protonenaustauschmembranen zwischen den beiden Elektroden verfügen. Sie bestehen im Allgemeinen aus einer Reihenschaltung von vielen Einzelzellen, welche in der Brennstoffzelle zu einem
Brennstoffzellenstapel aufgestapelt sind. Die Brennstoffzelle wird in diesem Fall auch häufig als Brennstoffzellenstack bezeichnet. Jede einzelne dieser Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks enthält eine sogenannte Membranelektrodeneinheit (MEA). Diese Membranelektrodeneinheiten umfassen den eigentlichen Elektrolyten in Form der Membran sowie auf jeder Seite dieser Membran eine Elektrode, welche mit
edelmetallhaltigen Katalysatoren beschichtet ist. Diese Katalysatoren sind typischerweise Platin auf der Kathodenseite und Platin oder Platin/Ruthenium auf der Anodenseite. Im Normalbetrieb der Brennstoffzelle helfen diese Katalysatoren den Wasserstoff zu H+- lonen zu oxidieren und auf der Kathodenseite den Sauerstoff zu reduzieren.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es nun bekannt, dass während des
Abschaltens der Brennstoffzelle eine verstärkte Korrosion dieser Katalysatoren auftreten kann, insbesondere dann, wenn auf der Kathodenseite noch Sauerstoff vorhanden ist und auf der Anodenseite eine ungleichmäßige Gaszusammensetzung vorherrscht, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft in verschiedenen Bereichen der Anode. Beim Wiederstart der Brennstoffzelle kann es außerdem dazu kommen, dass eine Wasserstoff/Luftfront durch den Anodenraum der Brennstoffzelle wandert. Falls in dieser Situation im Kathodenraum noch oder schon Sauerstoff vorhanden ist, kommt es während des Startvorgangs ebenfalls zu hohen Kathodenpotenzialen und damit zu einer Korrosion des Kathodenkatalysators. Mit zunehmender Korrosion des
Kathodenkatalysators sinkt dessen elektrochemische Aktivität und die Brennstoffzelle verliert an Leistungsfähigkeit und an Betriebslebensdauer. Dieser Degradation aufgrund der Korrosion des Katalysators soll daher vorgebeugt werden.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind aus diesem Grund verschiedene Verfahren bekannt, um den Sauerstoff in der Kathode während der Abschaltprozedur, beim sogenannten Shut-down, abzureichern. Dies kann beispielsweise durch einen Stromfluss an einem Verbraucher oder einer Hilfslast erfolgen. Auf der Anode wird dabei ein
Wasserstoffüberschuss belassen. Dies hilft dabei, die Brennstoffzellen-Katalysatoren wirksam vor Korrosion zu schützen. Insbesondere bei der Anwendung von
Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen ist es nun so, dass es während des Stillstands des Brennstoffzellensystems und des Fahrzeugs über eine längere Zeit dazu kommen kann, dass Wasserstoff von der Anodenseite durch die Membran auf die Kathodenseite gelangt und mit Sauerstoff zu Wasser reagiert. Ist der Wasserstoff auf der Anodenseite örtlich komplett verbraucht, dann kann das Anodenpotenzial dort wieder ansteigen und auf der Kathodenseite ein Korrosionspotenzial bewirken. Dies wird typischerweise bei Spannungen von mehr als 1 ,4 V/Zelle erreicht. Dies ist insbesondere dann zu erwarten, wenn auf der Kathodenseite Sauerstoff vorhanden ist. Idealerweise ist dieser während der Abschaltprozedur jedoch verbraucht. Nun ist es aber so, dass es durch Windeffekte und Konvektion während des Stillstands des Brennstoffzellensystems bzw. des
Fahrzeugs zu einem erneuten Eindringen von Sauerstoff in den Kathodenraum kommen kann. Dann tritt die oben geschilderte Problematik besonders intensiv auf.
Die Problematik wird so auch in der DE 10 2007 059 999 A1 beschrieben. Um
insbesondere dem Wiedereindringen von Sauerstoff in den Kathodenraum einen wirksamen Hinderungsmechanismus entgegenzusetzen, schlägt diese Schrift vor, dass Ventile verwendet werden können, um die Kathodenseite im Stillstand des
Brennstoffzellensystems gegenüber der Umgebung abzusperren.
Ein ähnlicher Aufbau, bei welchem der Sauerstoff in der Kathode abgereichert wird und bei dem die Strömungspfade von zu dem Kathodenraum der Brennstoffzelle entsprechend abgesperrt werden können, ist außerdem in der DE 10 2010 053 632 A1 beschrieben.
Aus der DE 10 201 1 083 327 A1 ist es bekannt, einen Anodenraum und einen
Kathodenraum einer Brennstoffzelle während des Systemstillstands mit Stickstoff zu befüllen, um der genannten Problematik entgegen zu wirken. Dies ist außerordentlich aufwändig, da der Stickstoff hierfür extra bevorratet werden muss, was zumindest beim Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug mit einem erheblichen zusätzlichen Aufwand hinsichtlich Bauraum, Baugewicht und Kosten einhergeht. Dies stellt einen gravierenden Nachteil dar. Deshalb ist es beispielsweise aus der
DE 11 2004 001 783 T5 bekannt, an Stelle des Stickstoffs Abgas eines Brenners, insbesondere eines katalytischen Brenners, zum Befüllen der Brennstoffzelle während des Stillstandes einzusetzen.
Im gesamten Stand der Technik wird dabei nicht bedacht, dass die Dichtheit der
Brennstoffstelle selbst, und dies gilt insbesondere, wenn zwischen Ventileinrichtungen Wasserstoff in der Brennstoffzelle eingeschlossen wird, während des Stillstandes außerordentlich begrenzt ist. Der Wasserstoff kann durch Dichtungen aus der
typischerweise als Stapel von Einzelzellen aufgebauten Brennstoffzelle nach außen gelangen und aus der Umgebung kann Sauerstoff auf eben diesem Wege in die
Brennstoffzelle diffundieren, sodass nach einer Standzeit von beispielsweise einigen Stunden wiederum Sauerstoff im Bereich der Brennstoffzelle vorliegt, welcher dort aus den eingangs genannten Gründen höchst unerwünscht ist.
Es ist nun die Aufgabe, der hier vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welches dieser Problematik effizient entgegenwirkt, und welches über einen deutlich längeren Zeitraum, als bei den Systemen im Stand der Technik, einen Zustand mit wenig oder keinem Sauerstoff in der Brennstoffzelle während ihres Stillstandes aufrecht erhält.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den
Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruches 10 diese Aufgabe. Eine vorteilhafte
Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich aus dem hiervon abhängigen Unteranspruch.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass die Brennstoffzelle selbst in an sich bekannter Art und Weise in einem Gehäuse angeordnet ist. Ein solches Gehäuse, welches die Brennstoffzelle typischerweise beabstandet umgibt, ist alleine aus Sicherheitsgründen bei annähernd jeder
Brennstoffzellenanwendung, insbesondere im Bereich von Brennstoffzellenfahrzeugen allgemein bekannt und üblich. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass dieses Gehäuse mittels einer Zuleitung mit einer Kathodenrezirkulationsleitung verbunden ist. Über eine solche Zuleitung kann dafür gesorgt werden, dass im Bereich des Gehäuses ein an Sauerstoff abgereichertes Medium, also ein Medium mit geringem Sauerstoffgehalt vorliegt. Um diesen Medium nicht, wie beispielsweise über Stickstofftanks im Stand der Technik, mitführen zu müssen, kann hier sehr einfach und effizient eine Verbindung des Gehäuses über die Zuleitung mit der Kathodenrezirkulation der Brennstoffzelle geschaffen werden. Als an Sauerstoff abgereichertes Medium kann also
dementsprechend die an Sauerstoff abgereicherte Abluft aus der Brennstoffzelle selbst genutzt werden, welche ohnehin zur Verfügung steht.
Durch die Kathodenrezirkulation um den Kathodenraum der Brennstoffzelle kann in an sich bekannter Art und Weise Abluft aus der Brennstoffzelle zusammen mit der in ihr enthaltenen Feuchtigkeit zurückgeführt und zusammen mit frischer Zuluft der
Brennstoffzelle zugeführt werden. Dies führt zu einem etwas geringeren Sauerstoffgehalt in der im Kathodenraum vorliegenden Luft, ermöglicht jedoch den Verzicht auf eine zusätzliche Befeuchtung, da die Feuchte entsprechend zurückgeführt werden kann. Nun ist es so, dass in der Kathodenrezirkulationsleitung also ein an Sauerstoff abgereichertes Medium vorliegt, welches sich ideal eignet, um in das Gehäuse der Brennstoffzelle eingebracht zu werden. Insbesondere beim Abschalten des Brennstoffzellensystems ist es nun möglich, bei abgeschalteter Luftversorgung die Kathodenrezirkulation weiterhin aufrecht zu erhalten, sodass die dann im Kathodenraum und der
Kathodenrezirkulationsleitung eingeschlossene Luft umgewälzt wird. Gleichzeitig kann weiterhin Wasserstoff im Anodenraum vorliegen bzw. zudosiert werden. Der Sauerstoff in der umgewälzten Luft im Kathodenraum und der Kathodenrezirkulationsleitung wird dann zumindest annähernd vollständig aufgebraucht. Um eine Umpolung einzelner Zellen in den typischerweise als Brennstoffzellenstapel bzw. -Stack aufgebauten Brennstoffzelle zu verhindern, kann dabei die Stromentnahme während dieser Phase spannungsgeregelt ablaufen, und zwar insbesondere so, dass die Einzelzellen in einem mittleren
Spannungsbereich betrieben werden, welcher hinsichtlich einer Umpolung unkritisch ist, beispielsweise in der Größenordnung von 0,8 - 0,85 V. Der Strom stellt sich dann entsprechend der vorhandenen restlichen Sauerstoffkonzentration im Kathodenraum und der Kathodenrezirkulationsleitung automatisch ein. Die Stromentnahme kann dabei zeitlich begrenzt sein oder gepulst erfolgen, um eine Umpolung zu vermeiden. Nach einer gewissen Zeit wird dann der Sauerstoff weitgehend aufgebraucht sein, sodass
insbesondere im Abschaltvorgang eines derartigen Brennstoffzellensystems in der Kathodenrezirkulationsleitung und in dem Kathodenraum an Sauerstoff abgereicherte Abluft oder vorzugsweise ein weitgehend stickstoffhaltiges Gas vorliegt, in dem der Sauerstoff gänzlich aufgebraucht ist. Ohne Stickstoff in dem Brennstoffzellensystem bevorraten zu müssen ist es so möglich, durch die Verbindung der
Kathodenrezirkulationsleitung mit dem Gehäuse über die Zuleitung das Gehäuse und den gesamten Kathodenbereich der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems im Stillstand mit diesem überwiegend stickstoffhaltigen Gas befüllt zu halten. Hierdurch wird das Eindringen von Sauerstoff unterbunden und auch nach langer Stillstandszeit besteht nicht die Gefahr, dass Sauerstoff über die Dichtungen oder durch andere Wege in die Brennstoffzelle eingedrungen ist, da der Raum zwischen Brennstoffzelle und Gehäuse ebenso wie der Kathodenraum und die Kathodenrezirkulationsleitung mit dem weitgehend sauerstofffreien Gas befüllt ist.
In einem später erfolgenden Start des Brennstoffzellensystems kann so verhindert werden, dass eine Sauerstoff/Wasserstoff-Front beim Start durch den Anodenraum läuft und das eine entsprechende Korrosion der Elektroden auftritt, welche die Lebensdauer der Brennstoffzelle nachhaltig schädigt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie des Verfahrens zum Abstellen eines derartigen Brennstoffzellensystems ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen: Fig. 1 der für die Erfindung relevante Ausschnitt aus einem prinzipmäßig angedeuteten
Brennstoffzellensystem in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung; Fig. 2 der für die Erfindung relevante Ausschnitt aus einem prinzipmäßig angedeuteten
Brennstoffzellensystem in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung; Fig. 3 der für die Erfindung relevante Ausschnitt aus einem prinzipmäßig angedeuteten
Brennstoffzellensystem in einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung; Fig. 4 der für die Erfindung relevante Ausschnitt aus einem prinzipmäßig angedeuteten
Brennstoffzellensystem in einer vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung; Fig. 5 der für die Erfindung relevante Ausschnitt aus einem prinzipmäßig angedeuteten
Brennstoffzellensystem in einer fünften Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
Fig. 6 der für die Erfindung relevante Ausschnitt aus einem prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystem in einer sechsten Ausführungsform gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein für die Erfindung relevanter Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 kann dabei insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem hier nicht dargestellten Fahrzeug eingesetzt werden. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 2, welche insbesondere als Stapel von Einzelzellen aufgebaut ist. Diese Brennstoffzelle 2, welche aufgrund ihrer aufgestapelten Bauweise auch als Brennstoffzellenstack 2 bezeichnet wird, soll vorzugsweise in PEM-Technologie realisiert sein. In der Darstellung der Figur 1 ist schematisch ein Kathodenraum 3 sowie ein' Anodenraum 4 in dem Brennstoffzellenstack 2 angedeutet. Der Anodenraum 4 wird beispielsweise mit Wasserstoff in an sich bekannter Art und Weise versorgt. Die
Anodenseite ist für die hier dargestellte Erfindung von untergeordneter Bedeutung, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird.
Der Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird über eine Luftfördereinrichtung 5, welche von einem zugeordneten Elektromotor 6 in dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 angetrieben wird, mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft gelangt über eine Zuluftleitung 7 in den Kathodenraum 3 der Brennstoffzellensystem 2. Abluft gelangt über eine Abluftleitung 8 aus den Kathodenraum 3 und strömt in einem ersten
Strömungszweig über eine Turbine 9 in die Umgebung ab. Gemeinsam mit dem
Elektromotor 6 und der Luftfördereinrichtung 5 sitzt die Turbine 9 dabei auf einer Welle 10. Dieser Aufbau ist aus dem allgemeinen Stand der Technik auch als sogenannter elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bekannt. Die in der Abluft der Brennstoffzelle 2 enthaltene Restenergie in Form von Wärme und Druck wird zumindest teilweise in der Turbine 9 umgesetzt und hilft so beim Antrieb der Luftfördereinrichtung 5. Zusätzlich zu dem bisher beschriebenen Aufbau ist in der Darstellung der Figur 1 ein sogenannter Systembypass 1 1 mit einem Bypassventil 12 zu erkennen. Über diesen kann beispielsweise bei einem vorübergehenden Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 durch ein Öffnen des Systembypassventils 12 geförderte Luft unmittelbar wieder abgeblasen werden, um so die Luftversorgung der Brennstoffzelle schnell zu
unterbrechen, auch wenn die Luftfördereinrichtung 5 als Strömungsverdichter ausgebildet ist, welcher aufgrund seiner im Normalbetrieb sehr hohen Drehzahl vergleichsweise lange nachläuft. Andere Einsatzzwecke für das Systembypassventil 12 in dem Systembypass 11 sind dem Fachmann aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ebenso bekannt, sodass hierauf nicht näher eingegangen werden muss.
Zusätzlich ist es so, dass von einem Kathodenausgang 13 eine
Kathodenrezirkulationsleitung 14, zuerst als Teil der Abluftleitung 8, dann als
eigenständige Leitung und am Schluss als Teil der Zuluftleitung 7, den Kathodenausgang 13 mit einem Kathodeneingang 15 verbindet. Innerhalb dieser
Kathodenrezirkulationsleitung 14 ist ein Rezirkulationsgebläse 16 als
Rezirkulationsfördereinrichtung angedeutet, welches von einem elektrischen
Antriebsmotor 17 angetrieben werden kann. Hierdurch ist es möglich, in an sich bekannter Art und Weise Abluft vom Kathodenausgang 13 zum Kathodeneingang 15 zurückzuführen und diese Abluft zusammen und vermischt mit frischer Zuluft aus der Zuluftleitung 7 dem Kathodenraum 3 zur Verfügung zu stellen. Der entscheidende Vorteil ist der, dass hierdurch auch Feuchtigkeit mit zurückgefördert wird, sodass auf aufwändige Aufbauten zur Befeuchtung, beispielsweise einen Gas/Gas-Befeuchter oder ähnliches, gänzlich verzichtet werden kann.
Die Brennstoffzelle 2 ist an sich bekannter Art und Weise von einem Gehäuse 18 umgeben. Dieses Gehäuse 18 der Brennstoffzelle 2 schirmt die Brennstoffzelle nach außen hin ab und bietet typischerweise mechanischen Schutz für die Brennstoffzelle und hilft außerdem eventuell im Bereich der Brennstoffzelle 2 austretenden Wasserstoff im Bereich des Gehäuses 18 zurückzuhalten, sodass dieser beispielsweise definiert abreagiert und/oder definiert verdünnt abgeführt werden kann. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 ist es nun so, dass das die Brennstoffzelle 2 umgebende Gehäuse 18 über eine Zuleitung 19 mit der Kathodenrezirkulationsleitung 14, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit ihrem kathodeneingangseitigen Teil, in Verbindung steht. Das Gehäuse 18 ist dabei drucklos ausgeführt und steht über eine Ableitung 20 in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel unmittelbar mit der Umgebung in Verbindung, was den
entscheidenden Vorteil hat, dass geringere mechanische Anforderungen an das Gehäuse 18 gestellt werden müssen, als wenn dieses, wie es in einem späteren
Ausführungsbeispiel noch beschreiben sein wird, unter Druck steht. Um das Druckgefälle zwischen der Kathodenrezirkulationsleitung 14 und dem Inneren des Gehäuses 18 entsprechend auszugleichen, ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in der Zuleitung 19 eine Drossel 21 angedeutet.
Im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 kann dieses nun an sich bekannter Art und Weise so betrieben werden, dass aufgrund der Kathodenrezirkulation auf eine Befeuchtung gänzlich verzichtet werden kann. Durch die Verbindung des Gehäuses 18 über die Zuleitung 19 mit der Kathodenrezirkulationsleitung 14 wird während des Betriebs ein dauerhaftes je nach Einstellung der Drossel 21 geringfügiges Durchspülen des Gehäuses 18 gewährleistet, um so eventuelle Wasserstoff leckagen, welche in dem Gehäuse 18 um den Brennstoffzellenstack 2 herum auftreten können, entsprechend zu verdünnen und abzuführen.
Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 kann nun so verfahren werden, dass die Luftfördereinrichtung 5 entsprechend abgestellt wird, um die Versorgung des
Kathodenraums 3 mit frischer Luft und damit frischem Sauerstoff zu unterbrechen. Bei weiterhin erfolgender Zudosierung von Wasserstoff in den Anodenraum 4 der
Brennstoffzelle 3 kann nun der über das weiterhin betriebene Rezirkulationsgebläse 16 umgewälzte Restluftstrom in der Kathodenrezirkulationsleitung 14 und dem
Kathodenraum 3 im Kathodenraum 3 an Sauerstoff abgereichert werden. Insbesondere kann dies spannungsgesteuert so erfolgen, dass die mittlere Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstacks 2 in der Größenordnung von 0,8 - 0,85 V liegt. Die
Stromentnahme kann dabei zeitlich begrenzt sein oder gepulst erfolgen, um eine
Umpolung zu vermeiden. Entsprechend der Restkonzentration an Sauerstoff wird sich dann ein entsprechender Strom einstellen, bis der Sauerstoff gänzlich aufgebraucht ist, und kein Strom mehr fließt. Ist diese Situation erreicht, dann kann die Wasserstoffzufuhr abgestellt und Kathodenrezirkulationsgebläse 16 gestoppt werden. Im Kathodenraum 3 und in der Kathodenrezirkulationsleitung 14 liegt dann ein Gas vor, welches überwiegend aus Stickstoff besteht und allenfalls noch geringe Reste an Sauerstoff aufweist. Dieses Gas gelangt über die Zuleitung 19 auch in das Gehäuse 18 der Brennstoffzelle 2, sodass eine von Sauerstoff freie Atmosphäre entsteht. Dadurch, dass auch über Undichtheiten im Bereich der Brennstoffzelle 2 kein Sauerstoff in die Brennstoffzelle 2 diffundieren kann, da im Gehäuse 18 ebenfalls das an Sauerstoff abgereicherte Medium,
insbesondere das überwiegend aus Stickstoff bestehende Gas vorliegt, kann über eine sehr lange Stillstandszeit der Brennstoffzelle 2 hinweg eine sauerstofffreie Atmosphäre in der Brennstoffzelle 2 sichergestellt werden, was einen für die Brennstoffzelle 2 sehr schonenden Wiederstart, auch nach langer Stillstandszeit, erlaubt.
In der Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel zu erkennen, welches weitgehend dem in Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht. Als einziger Unterschied ist in der Ableitung 20 ein Absperrventil 22 angeordnet, welches das sauerstoffarme bzw. -freie- Gas in dem Gehäuse 18 einschließt, um so zu verhindern, dass es sich in diesem durch Konvektion oder Diffusion, beispielsweise durch Windeffekte, mit frischer
sauerstoffreicher Luft aus der Umgebung austauscht. Ein weiterer Vorteil des
Absperrventils 22 besteht darin, dass für den Fall, dass im Stillstand des
Brennstoffzellensystems 1 der Kathodenraum 3 mit Luft durchspült wird, um diesen auszutrocknen und so ein Einfrieren von Wasser zu verhindern, dass Zuströmen von frischer sauerstoffhaltiger Luft in das Gehäuse 18 durch ein Schließen des Absperrventils 22 unterbunden werden kann.
Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 in der Darstellung der Figur 3 entspricht ebenfalls weitgehend dem in der Darstellung der Figuren 1 und 2 gezeigten Aufbau. Die Unterschiede bestehen darin, dass einerseits das Gehäuse 18 unter Druck steht, was daran zu erkennen ist, dass die Drossel 21 im Bereich der Ableitung 20 angeordnet ist. Der andere Unterschied besteht darin, dass die Zuleitung 19 ausgangsseitig des
Kathodenraums 3 aus der Kathodenrezirkulationsleitung 14 abzweigt. Die an dieser Stelle abgezweigte Luft hat gegenüber der in den vorherigen Figuren kathodeneingangsseitig abgezweigten Luft dabei den geringfügigen Nachteil, dass sie typischerweise feuchter sein wird, als die eingangsseitig abgezweigte Luft, andererseits hat sie den Vorteil, dass sie eine geringfügig geringere Sauerstoffkonzentration hat. Bei ausreichend langem Betrieb der Rezirkulationsgebläses 16 nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 gleichen sich die Bedingungen jedoch weitgehend an, sodass beispielsweise in
Abhängigkeit der baulichen Gegebenheiten die in den Figuren 1 und 2 oder die in Figur 3 dargestellte Variante zum Abzweigen der Leitung eingesetzt wird. Dabei ist es keinesfalls notwendig bei der in Figur 3 dargestellten Variante das Gehäuse 18 unter Druck zu halten, der Aufbau könnte genauso gut mit der Drossel 21 im Bereich der Zuleitung 19, analog zur Darstellung in Figur 1 und 2, realisiert werden. Auch hier ist ergänzend oder alternativ zu der Drossel 21 in der Ableitung 20 ein Absperrventil 22 möglich.
In der Darstellung der Figur 4 ist nun eine weitere Ausführungsvariante beschrieben. Auch diese entspricht wiederum weitgehend der Darstellung in den bisherigen Figuren, insbesondere der Darstellung in den Figuren 1 und 2. Der einzige Unterschied gegenüber Figur 1 besteht bei dem in Figur 4 gezeigten Aufbau nun darin, dass die Ableitung 20 wieder in die Kathodenrezirkulationsleitung 14 einmündet. Der Strömungszweig durch die Zuleitung, das Gebläse 18 und die Ableitung 20 liegt also parallel zum Kathodenraum 3 und wird bei betriebenem Rezirkulationsgebläse 16 entsprechend mit durchströmt. Der Aufbau hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass eventuelle Mechanismen zum
Verdünnen und Abreagieren von Wasserstoff im Abluftbereich des
Brennstoffzellensystems 1 auch für die Abluft aus dem Gehäuse 18 mitgenutzt werden können.
Die beiden nachfolgenden Figuren 5 und 6 sind nun wiederum hinsichtlich der
Verbindung zwischen der Kathodenrezirkulationsleitung 14 und dem Gehäuse 18 analog zu den Figuren 1 und 2 dargestellt. Auch hier wären alle anderen beschriebenen
Ausführungsvarianten, insbesondere die der Figuren 3 und- 4 sowie entsprechende Kombinationen dieser Varianten denkbar. Der Unterschied in der Darstellung der Figur 5 gegenüber der Darstellung in Figur 1 liegt nun insbesondere im Bereich des
Rezirkulationsgebläses 16. Die Luftfördereinrichtung 5 ist wiederum in an sich bekannter Art und Weise mit dem Elektromotor 6 verbunden. Die Abluftturbine 9 existiert ebenfalls, ist jedoch anders als in den Darstellungen der bisherigen Figuren nicht mit der
Luftfördereinrichtung 5 verbunden. Über eine Welle 23 ist die Turbine 9 vielmehr mit dem Rezirkulationsgebläse 16 verbunden und treibt dieses in der Art eines Freiläufers, also eines Turboladers, ohne zusätzliche elektrische Maschine, an. Optional wäre auch hier eine zusätzliche elektrische Maschine denkbar. Die in der Turbine 9 freiwerdende Energie wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel also zum Antrieb des
Rezirkulationsgebläses 16 genutzt. In der Darstellung der Figur 6 ist eine weitere Variante zu erkennen. Die Luftversorgung erfolgt hier so, dass die Luftfördereinrichtung 5 eine erste Stufe der Luftförderung ausmacht. Sie ist analog zur Darstellung in Figur 5 über den Elektromotor 6 unabhängig von der Turbine 9 angetrieben. Dann folgt in Strömungsrichtung der verdichteten Luft nach der Luftfördereinrichtung 5 eine zweite Verdichterstufe 24 auf die
Luftfördereinrichtung 5, über welche die Luft dann durch die Zuluftleitung 7 in der Darstellung der Figur 6 von unten in den Kathodenraum 3 strömt. Die Abluftleitung 8 und die Rezirkulationsleitung 14 in ihrem ersten Teilabschnitt sind dabei wieder identisch, wobei von der Abluftleitung 8, bevor diese über die Turbine 9 in die Umgebung führt, wiederum ein Teil als Kathodenrezirkulationsleitung 14 abzweigt und in die zweite Verdichterstufe 24 als Rezirkulationsgebläse 16 zurückführt. Über eine Ventileinrichtung 25 in der Kathodenrezirkulationsleitung 14 lässt sich dann die Rezirkulationsrate entsprechend einstellen und die rezirkulierte Kathodenabluft gelangt zusammen mit der frischen Zuluft nach der Luftfördereinrichtung 5 als erste Verdichterstufe über die zweite Verdichterstufe 24 wieder zurück zum Kathodenraum 3. Der Abzweig der Zuleitung 19 in das Gehäuse 18 entspricht dabei wiederum dem in Figur 1 gezeigten Aufbau, wobei die Drossel 21 hier im Bereich der Ableitung 20 angeordnet ist, um diese bisher in dieser Kombination noch nicht dargestellte Variante ebenfalls noch zu zeigen. Weiterhin ist wieder der Systembypass 11 mit dem Bypassventil 12 in der Darstellung der Figur 6 zu erkennen.

Claims

Patentansprüche
Brennstoffzellensystem (1 ) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (3) umfasst, und welche in einem die Brennstoffzelle (2) umgebenden Gehäuse (18) angeordnet ist, mit einer
Kathodenrezirkulationsleitung (14) zum Zurückführen zumindest eines Teils der Kathodenabluft von einem Kathodenausgang (13) zu einem Kathodeneingang (15), dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (18) mittels einer Zuleitung (19) mit der Kathodenrezirkulationsleitung (14) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zuleitung (19) eingangsseitig oder ausgangsseitig des Kathodenraums (3) aus der Kathodenrezirkulationsleitung (14) abzweigt.
Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (18) über eine Ableitung (20) zumindest mittelbar mit der Umgebung verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (18) über eine Ableitung (20) mit der Kathodenrezirkulationsleitung (14) auf der jeweils anderen Seite des Kathodenraums (3) verbunden ist.
5. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Drossel (21 ) in der Zuleitung (19) und/oder der Ableitung (20) vorgesehen ist.
6. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Zuleitung (19) und/oder der Ableitung (20) ein Absperrventil (22) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Kathodenrezirkulationsleitung (14) ein Rezirkulationsgebläse (16) angeordnet ist.
8. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Rezirkulationsgebläse (16) von einer Abluftturbine und/oder einem elektrischen Motor (17) angetrieben ist.
9. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Kathodenrezirkulationsleitung (14) eine Ventileinrichtung (25) zur
Beeinflussung der rezirkulierten Gasmenge angeordnet ist.
10. Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems (1 ) nach einem der
Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kathodenrezirkulation bei weiterhin erfolgender Wasserstoffversorgung aufrechterhalten wird, bis der Sauerstoff im Kathodenraum (3) und der
Kathodenrezirkulationsleitung (14) weitgehend aufgebraucht ist.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aufbrauchen des Sauerstoffs durch eine spannungsgeregelte
Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle (2) erfolgt, wobei eine mittlere Spannung je Einzelzelle der Brennstoffzelle (2) in der Größenordnung von 0,8 - 085 V gehalten wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle (2) zeitlich begrenzt oder gepulst erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein mit Sauerstoff abgereichertes Fluid aus der Kathodenzirkulationsleitung (14) in das Gehäuse (18) der Brennstoffzelle (2) geleitet wird.
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