WO2015158478A1 - Verfahren zum spülen einer brennstoffzelle sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum spülen einer brennstoffzelle sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2015158478A1
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Norbert Frisch
Johannes Schmid
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a method for rinsing a
  • Fuel cell for reducing the water content in the fuel cell and an apparatus for performing the method are provided.
  • Fuel cell stack of the fuel cell system contained
  • the fuel cell system is blown dry during shutdown in the prior art.
  • the moisture content can, for example, be reduced by the fact that after switching off the
  • Fuel cell or the fuel cell system the compressor is operated for a certain period of time to withdraw moisture from the fuel cell. This process is also referred to as caster or blow down. Due to the prevailing pressure conditions in the fuel cell system, however, this method is inefficient and sufficient drying of the system is poorly possible.
  • DE 60 2007 000440 T2 shows a fuel cell drive unit with a motor compressor group for supplying the fuel cell with compressed air, wherein the direction of rotation of the
  • Motor compressor group can be reversed by an agent.
  • patent claim 1 comprises the step of sucking purge gas through the fuel cell by means of negative pressure. Due to the suction of purge gas, the absolute pressure acting in the fuel cell is reduced compared to the purge gas being blown through by the fuel cell. As a result, the liquid water contained in the fuel cell is evaporated at a lower temperature and thus achieved very quickly and easily drying.
  • the purge gas is not limited in detail. Purge gas is generally the gas that is used to reduce the amount of water after the operation of the fuel cell "blow down" by the
  • Fuel cell is rinsed without causing the electrochemical reaction in the fuel cell is intended.
  • this rinsing is done by suction.
  • fresh air is used as purge gas, since thus account for material costs for the purge gas and fresh air is freely accessible almost everywhere.
  • the inventive method is best suited for fuel cell systems with a fuel cell or with a fuel cell stack, the method can be carried out inexpensively and in a short time without high technical complexity.
  • Fuel cell cathode gas feeding conveyor in its conveying direction vice versa This can be done most easily electronically.
  • Cathode gas is generally the gas that is supplied in normal or regular fuel cell operation of the fuel cell (ie not in the wake phase) for the electrochemical fuel cell reaction.
  • the entire air path of the fuel cell is briefly reversed in its conveying direction.
  • Purging gas, and including fresh air can be sucked in, for example, from an environment of the fuel cell and, for example. be supplied via an inlet air filter.
  • the amount of fresh air to be delivered and its pressure level can preferably be controlled via a throttle valve.
  • Conveying device is preferably a compressor operated in the reverse direction, which in normal use of the
  • the process essentially requires no structural changes to the Fuel cell system and is therefore particularly preferred in view of the cost of performing the method.
  • a further advantageous development provides that, in order to generate the negative pressure, a conveying direction in the fuel cell is reversed. This applies in particular to the cathode path of the fuel cell. As a result, the fuel cell can be rinsed very effectively.
  • purge gas is sucked in via a fuel cell exhaust gas line. Since the fuel cell exhaust gas line is directly connected to the fuel cell to be purged, no separate purge gas supply is required, in particular fresh air from the
  • the suction can be directly from the fuel cell exhaust or via a in the
  • the purge gas is preferably sucked in via a fuel cell exhaust outlet.
  • the fuel cell exhaust outlet conveys
  • Fuel cell exhaust outlet is sucked.
  • purge gas can via a in a
  • Kathodengaszu the fuel cell additionally provided Spülgaszu entry be sucked.
  • the advantage of this is that fresh air can be sucked immediately by means of negative pressure through the fuel cell, without water-containing fuel cell exhaust air must be transported. The drying time of the fuel cell is thereby reduced.
  • the conveying device is operated in the normal direction.
  • the sucked by the fuel cell purge gas is discharged via a cathode gas supply. This promotes rapid expulsion of now moistened purge gas from the fuel cell system.
  • Also according to the invention is also a device for
  • the device is for example a fuel cell system and comprises at least one fuel cell with a
  • Cathode gas supply for supplying cathode gas to the fuel cell and a Brennstoffzellenabgasieitung for
  • Fuel cell mixed exhaust gas from the fuel cell In the
  • Cathode gas supply is a delivery device is provided, in particular a compressor which is adapted to generate negative pressure in the fuel cell and to suck purge gas through the fuel cell. Due to the configuration of the device according to the invention, which allows a suction of purge gas instead of pressing purge gas through the fuel cell by means of high pressure, a drying of the fuel cell can be done within a very short time and a fuel cell can be provided with good frost start properties.
  • Conveying direction is operated. This is easy and inexpensive to implement by an electronic control. It may also be on dispenses with additional conveying devices and a device with a minimum of functional components are provided.
  • the device further comprises a purge gas supply and / or a Spülgasauslass, which are arranged in the cathode gas supply between the conveying device and the fuel cell.
  • the conveying device can be operated in the normal conveying direction, and yet purge gas can be sucked through the fuel cell with high efficiency.
  • the inventive device comprises a first bypass line and / or a second bypass line, wherein the first bypass line, the fuel cell exhaust gas line and the
  • Cathodic gas supply downstream of the conveying device connects and wherein the second bypass line connects the cathode gas supply downstream of the conveying device with the cathode gas supply upstream of the conveying device.
  • the first bypass line and the second bypass line via a
  • Fuel cell exhaust gas intake fresh air as purge gas the device comprises at least one in the
  • a condenser or water separator can alternatively or additionally also on
  • Fuel cell outlet may be provided before branching the first bypass line.
  • the swept by the fuel cell purge gas can be discharged via a fuel cell exhaust outlet.
  • the swept by the fuel cell purge gas via a first bypass line or a fuel cell bypass (hereinafter simplistically the term first bypass line is used) in the
  • Fuel Zelienabgas tend be promoted. This has the advantage that provided in the Brennstoffzelienabgas effet components, such as the exhaust system and / or the water, which are already provided for the normal or regular fuel cell operation, can also treat the purge gas accordingly. Thus, it is preferably avoided that the moisture purged from the fuel cell reaches the environment. Furthermore, the noise level through the sound reduction measures of
  • Fuel cell exhaust can also be used for the purge gas. If the purge gas is removed during the run-off by the fuel cell exhaust outlet used for regular operation, the hydrogen concentration in the fuel cell will decrease simultaneously
  • a purge gas outlet could be provided upstream of the conveying device, through which the gas escapes into the environment.
  • the purge gas can also be sucked in via the cathode gas supply of the fuel cell.
  • the purge gas may first be filtered by the cathode gas air filter of the fuel cell before it is drawn through the fuel cell.
  • the cathode gas air filter is the filter that in regular operation of the fuel cell that at the reaction on the cathode side of the fuel cell
  • the purge gas is filtered by a separate filter.
  • the use of the cathode gas-air filter is particularly preferred because it can reduce space, manufacturing and service costs
  • the purge gas can be sucked in via the cathode gas-air filter in such a way that the delivery device is not flowed through.
  • the delivery device may be connected to the fuel cell exhaust line via at least one conduit such that the delivery device aspirates purge gas through the fuel cell.
  • a water separator is provided in the line between the fuel cell and the conveying device, so that as little moisture as possible gets into the conveying device. Particularly preferred is the water between the
  • a Water separator can be used for normal operation and for the wake.
  • a plurality of multi-way valves may be arranged and configured in the cathode gas supply and / or in the fuel cell exhaust conduit to direct cathode gas to the fuel cell during normal operation of the fuel cell and fuel cell exhaust gas from the fuel cell through the fuel cell exhaust conduit and / or the
  • Multi-way valves are arranged and designed such that they pass purge gas from the cathode-air filter into the fuel cell while sucking purge gas and supply the purge gas downstream of the fuel cell to the delivery device so that it sucks filtered purge gas through the fuel cell.
  • the device containing at least one fuel cell is well suited for a frost start.
  • the device can be provided with minimal structural modifications.
  • Fuel cell can be used. It is reduced
  • the existing safety systems can monitor the flushing process.
  • FIG. 1 shows a section of a fuel cell containing a
  • Figure 2 shows a detail of a fuel cell containing
  • Figure 3 shows a detail of a fuel cell containing
  • Figure 4 shows a detail of a fuel cell containing
  • Figure 5a shows a detail of a fuel cell containing
  • FIG. 5b shows a detail of a fuel cell according to FIG. 5a in FIG
  • FIG. 1 shows schematically a section of a device 10, for example a fuel cell system, which is operated according to the prior art.
  • Device 10 comprises a fuel cell 1, which is connected at its input to a cathode gas supply 2.
  • a cathode gas supply 2 is by means of a
  • Conveying device 3 in particular a compressor, cathode gas to the fuel cell 1 conveys.
  • the conveyor 3 promotes the cathode gas in such a way that it with increased delivery pressure for
  • Fuel cell 1 passes.
  • a fuel cell exhaust gas line 5 connects to a fuel cell outlet.
  • Fuel cell exhaust pipe 5 escapes the fuel cell exhaust gas via a fuel cell exhaust outlet 6 from the device 10 into the environment.
  • a Throttle valve 4 may be arranged, which is a Ausfactmenge
  • the device 10 further comprises a bypass line 7, the
  • Fuel cell exhaust gas line 5 branches off, the fuel cell 1 bypasses and opens upstream of the fuel cell 1 via a multi-way valve 8 in the cathode gas supply 2 downstream of the conveyor device 3.
  • Kathodengaszu Set 2 purge gas transported through the operated in the normal direction conveyor 3 to the fuel cell 1, the fuel cell 1 rinsed and purge gas and water contained therein via the fuel cell exhaust pipe 5 and the
  • Fuel cell exhaust outlet 6 discharged.
  • Figure 2 shows a section of a device 20 according to a first advantageous embodiment of the invention.
  • Device 20 is constructed identically to device 10 from FIG. 1, ie comprises all components in an analogous arrangement. Only the
  • Conveying device 3 is operated in the reverse conveying direction. This can be controlled electronically, so no structural
  • the conveying device 3 thus generates a negative pressure. Due to the negative pressure is over the
  • Fuel cell exhaust outlet 6 sucked fresh air and conveyed through the fuel cell exhaust pipe 5 and through the fuel cell 1. As a result, the fuel cell 1 is purged with fresh air and Removed water contained in the fuel cell 1 therefrom. The purge gas humidified by the water contained in the fuel cell 1 is discharged via the cathode gas supply 2. About the
  • Throttle 4 the amount of purge gas and the pressure level in the fuel cell 1 can be controlled specifically.
  • Figure 3 shows a section of a device 30 according to a second advantageous embodiment of the invention.
  • the device 30 is the
  • Conveyor 3 operated in known from the prior art normal conveying direction.
  • Conveying device 3 is connected to its downstream direction by a second bypass line 13.
  • the bypass line 13 is connected by two multi-way valves 1 1 and 12 to the cathode gas supply 2.
  • a purge gas outlet 9 is provided, can be discharged through the moistened, sucked by the fuel cell 1 purge gas.
  • fresh air is sucked in via the fuel cell exhaust gas outlet 6 through the negative pressure generated by the conveying device 3 and conveyed through the fuel cell 1 via the fuel cell exhaust gas line 5.
  • a separate purge gas supply may be arranged not shown, can be sucked through the fresh air.
  • the fuel cell 1 can be flushed with fresh air and in the
  • Fuel cell 1 contained water are removed therefrom.
  • the flushed by the water contained in the fuel cell 1 purge gas is passed through the cathode gas supply 2 and on
  • a second bypass line 13 is supplied.
  • the Multiway valve 12 enters the humidified purge gas in the
  • Cathodic gas supply 2 is guided by the conveying device 3 and discharged through the multi-way valve 11 through the purge gas outlet 9.
  • the amount of Spüigas and the pressure level in the fuel cell 1 can be controlled specifically.
  • the fuel cell exhaust line 5 may or may be arranged 16, 17, through the water from the over the
  • Fuel cell exhaust pipe 5 sucked fresh air before the
  • Passage through the fuel cell 1 can be dehumidified.
  • the purge gas to be sucked by the fuel cell 1 is thus
  • pre-dried can absorb a larger amount of water, which accelerates the drying process of the fuel cell 1.
  • the device 40 according to the invention shown in FIG. 4 differs from the device 30 from FIG. 3 in that the first bypass line 7 and the second bypass line 13 can be coupled to one another via a multi-way valve 15. Furthermore, in the
  • Cathodic gas supply 2 a purge gas supply 14 is provided, via the purge gas, and in particular fresh air, can be sucked.
  • the throttle valve 4 is closed for this purpose. The in normal
  • Feed direction operated conveyor 3 thus sucks through the purge gas supply 14 purge gas through the fuel cell. 1
  • the purge gas which is humidified by the water contained in the fuel cell 1 and expelled therefrom, is introduced via the first bypass line 7 and the second bypass line 13 and the conveyor device 3 into the
  • Fig. 5a shows an apparatus for the method disclosed herein in regular operation.
  • the cathode gas flows through the cathode air filter 51 and through the second multi-way valve 53 in the
  • Conveying device 3 here for example a compressor.
  • Conveying device 3 compresses the cathode gas, which then flows through the third multi-way valve 55 into the fuel cell 1.
  • any Befeuchtungsde which may preferably be arranged between the third multi-way valve 55 and the fuel cell 1 to moisten the cathode gas before entering the fuel cell 1.
  • cathode gas can flow through the fuel cell bypass (first bypass line) 7.
  • Such a bypass 7 and such a bypass flow are for efficient operation of the fuel cell 1 and the
  • the second multiway valve 53 may during normal operation a
  • Components are shown, one or more of these components are preferably integrated with in the conveyor device 3.
  • the cathode gas flowing into the fuel cell 1 at least partially participates in the electrochemical reaction at the cathode before it leaves the fuel cell 1 again as exhaust gas. It
  • Water separator 16 which may be preferably arranged between the fuel cell 1 and the first multi-way valve 54. Preferably also prevent the first and / or the second multi-way valve 54, 55th a bypass flow through the lines 52, 13. It could also be sufficient that only one of the multi-way valves 53, 54, 55 causes the blocking of the bypass lines 52, 13.
  • FIG. 5b shows the device 50 according to FIG. 5a during the
  • Multi-way valve 55 is preferably prevented. Downstream
  • Fuel cell 1 the first multiway valve 54 is arranged, that in the wake of the purge gas downstream of the fuel cell 1 via the line
  • the conveyor device 3 so sucked in the wake purge gas from the fuel cell 1 (see arrows).
  • the conveying direction of the conveying device 3 does not have to be reversed. Consequently, the paddle wheels of the conveyor device 3 can be optimized for a single conveying direction.
  • the water separator 16 which downstream of the conveying device 3, preferably between the first multi-way valve 54 and the fuel cell can be arranged. The water separator 16 reduces the moisture that could otherwise attack the conveyor 3. Upstream of the
  • Conveying device 3 is here the purge gas via the first bypass. 7 (Re) supplied to the fuel cell exhaust pipe 5, here via the first multiway valve 54. Then it escapes through the
  • Conveying device 3 through a purge gas outlet 9 (not shown) are discharged directly.
  • a throttle 4 is provided in the second bypass line 13.
  • the suction effect or the negative pressure can be varied in conjunction with the conveyor device 3. But it might also be sufficient that in a preferred embodiment, the second
  • Bypass line 13 itself has such a small cross-section that the second bypass line acts as a flow resistance due to this small cross-section, which allows or favors a negative pressure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spülen einer Brennstoffzelle. Das Verfahren ist durch den Schritt des Saugens von Spülgas durch die Brennstoffzelle mittels Unterdruck gekennzeichnet.

Description

Verfahren zum Spülen einer Brennstoffzelle sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spülen einer
Brennstoffzelle zur Reduktion des Wassergehalts in der Brennstoffzelle sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Für einen erfolgreichen Froststart eines Brennstoffzellensystems ist es notwendig eine in einer Brennstoffzelle oder in einem
Brennstoffzellenstack des Brennstoffzellensystems enthaltene
Wassermenge zu reduzieren, um darin ein Einfrieren des Wassers zu verhindern und eine Wärmekapazität des Brennstoffzellensystems zu senken. Hierzu wird im Stand der Technik das Brennstoffzellensystem beim Abschalten trockengeblasen. Der Feuchtegehalt kann bspw. dadurch verringert werden, dass nach dem Abschalten der
Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems der Kompressor für eine gewisse Zeitspanne weiter betrieben wird, um der Brennstoffzelle Feuchtigkeit zu entziehen. Dieser Vorgang wird auch als Nachlauf oder Blow Down bezeichnet. Aufgrund der im Brennstoffzellensystem herrschenden Druckverhältnisse ist dieses Verfahren jedoch ineffizient und eine ausreichende Trocknung des Systems schlecht möglich.
Die DE 60 2007 000440 T2 zeigt eine Brennstoffzellen-Antriebseinheit mit einer Motorkompressorgruppe zur Versorgung der Brennstoffzelle mit verdichteter Luft, wobei die Drehrichtung der
Motorkompressorgruppe durch ein Mittel umgekehrt werden kann. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Spülen einer Brennstoffzelle anzugeben, mittels dessen auf einfache und effiziente Weise eine Wassermenge in der Brennstoffzelle reduziert werden kann. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die auch für einen Froststart geeignet ist bzw. die zur Vorbereitung des Froststarts eine
Abschaltstrategie berücksichtigt. Ferner ist es eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Brennstoffzellen für den nächsten Kalt- bzw. Froststart vorzubereiten, ohne dass dabei Schadgase oder Verunreinigungen z.B.: Partikeleintrag in die Brennstoffzelle gelangen. Überdies ist es ein Aspekt der hier offenbarten Technologie, die
Sicherheit während des Nachlaufs zu erhöhen und gleichzeitig etwaige Emissionen (Lärm, Wasser) zu verringern.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der Patentanspruchs 1 , der den Schritt des Saugens von Spülgas durch die Brennstoffzelle mittels Unterdruck aufweist. Durch das Saugen von Spülgas wird gegenüber einem Durchblasen von Spülgas durch die Brennstoffzelle der in der Brennstoffzelle wirkende Absolutdruck verringert. Dadurch wird das in der Brennstoffzelle enthaltene flüssige Wasser bei einer tieferen Temperatur verdampft und somit sehr schnell und einfach eine Trocknung erreicht. Das Spülgas ist im Einzelnen nicht beschränkt. Spülgas ist allgemein das Gas, das zur Verringerung der Wassermenge nach dem Betrieb der Brennstoffzelle„Blow Down" durch die
Brennstoffzelle gespült wird, ohne dass dabei die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle bezweckt wird. Vorliegend vollzieht sich dieses Spülen durch Saugen. Vorzugsweise wird als Spülgas jedoch Frischluft verwendet, da somit Materialkosten für das Spülgas entfallen und Frischluft nahezu allerorts frei zugänglich ist. Das
erfindungsgemäße Verfahren ist für Brennstoffzellensysteme mit einer Brennstoffzelle oder mit einem Brennstoffzellenstack bestens geeignet, wobei das Verfahren ohne hohen technischen Aufwand kostengünstig und in kurzer Zeit durchführbar ist.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Erzeugung des Unterdrucks eine der
Brennstoffzelle Kathodengas zuführende Fördervorrichtung in ihrer Förderrichtung umgekehrt. Dies kann am einfachsten elektronisch erfolgen. Kathodengas ist dabei allgemein das Gas, das im normalen bzw. regulären Brennstoffzellenbetrieb der Brennstoffzelle (also nicht in der Nachlaufphase) für die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion zugeführt wird.
Vorteilhaft wird der gesamte Luftpfad der Brennstoffzelle kurzfristig in seiner Förderrichtung umgekehrt. Spülgas, und darunter Frischluft, kann dabei beispielsweise aus einer Umgebung der Brennstoffzelle angesaugt und z.B. über einen Einlassluftfilter zugeführt werden. Die Menge an zu fördernder Frischluft sowie ihr Druckniveau können vorzugsweise über eine Drosselklappe gesteuert werden. Die
Fördervorrichtung ist vorzugsweise ein in umgekehrter Richtung betriebener Kompressor, der bei normaler Anwendung der
Brennstoffzelle Kathodengas zuführt. Diese Ausgestaltung des
Verfahrens erfordert im Wesentlichen keine baulichen Änderungen am Brennstoffzellensystem und ist daher insbesondere im Hinblick auf die Kosten zur Durchführung des Verfahrens bevorzugt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass zur Erzeugung des Unterdrucks eine Förderrichtung in der Brennstoffzelle umgekehrt wird. Dies betrifft insbesondere den Kathodenpfad der Brennstoffzelle. Hierdurch kann die Brennstoffzelle sehr effektiv gespült werden.
Weiter vorteilhaft wird Spülgas über eine Brennstoffzellenabgasleitung angesaugt. Da die Brennstoffzellenabgasleitung direkt mit der zu spülenden Brennstoffzelle in Verbindung steht, wird keine separate Spülgaszuführung benötigt, um insbesondere Frischluft aus der
Brennstoffzellenumgebung zu fördern. Das Ansaugen kann dabei direkt aus dem Brennstoffzellenabgasauslass oder über eine in die
Brennstoffzellenabgasleitung mündende Zuleitung erfolgen.
Unter dem Gesichtspunkt einer einfachen Verfahrensführung wird das Spülgas vorzugsweise über einen Brennstoffzellenabgasauslass angesaugt. Der Brennstoffzellenabgasauslass befördert bei
Normalbetrieb der Brennstoffzelle Anodenabgas, Kathodenabgas oder Brennstoffzellenmischabgas, das auch Wasser enthalten kann, in die Umgebung. Somit kann es zwar vorkommen, dass zunächst
wasserhaltiges Abgas durch Unterdruck durch die Brennstoffzelle angesaugt wird, jedoch kann bereits in der
Brennstoffzellenabgasleitung eine Durchmischung mit angesaugter Frischluft erfolgen, so dass eine schnelle und einfache Trocknung der Brennstoffzelle erzielt wird. Um ein Ansaugen von wasserhaltiger Brennstoffzellenabluft zu reduzieren bzw. zu vermeiden, kann besonders bevorzugt nach dem Abschalten der Brennstoffzelle zunächst für wenige Sekunden, vorzugsweise für 1 bis 10 Sekunden, insbesondere für 2 bis 5 Sekunden, die normale Förderrichtung beibehalten werden, bevor Spülgas über den
Brennstoffzellenabgasauslass angesaugt wird.
Alternativ oder additiv dazu kann Spülgas über eine in einer
Kathodengaszuführung der Brennstoffzelle zusätzlich vorgesehene Spülgaszuführung angesaugt werden. Vorteilhaft hieran ist, dass sofort Frischluft mittels Unterdruck durch die Brennstoffzelle gesaugt werden kann, ohne dass wasserhaltige Brennstoffzellenabluft befördert werden muss. Die Trocknungszeit der Brennstoffzelle wird dadurch reduziert. Für diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Fördervorrichtung in Normalrichtung betrieben.
Weiter vorteilhaft ist vorgesehen, dass das durch die Brennstoffzelle gesaugte Spülgas über eine Kathodengaszuführung ausgefördert wird. Dies fördert ein schnelles Austreiben von nun befeuchtetem Spülgas aus dem Brennstoffzellensystem.
Zur weiteren Vereinfachung des Verfahrens wird das durch die
Brennstoffzelle gesaugte Spülgas über einen in einer
Kathodengaszuführung der Brennstoffzelle vorgesehenen
Spülgasauslass ausgefördert. Zur weiteren Verkürzung der Trocknungszeit wird aus der
Brennstoffzellenabluft und/oder aus dem Spülgas vor dem Saugen durch die Brennstoffzelle Wasser auskondensiert.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung zur
Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens angegeben. Die Vorrichtung ist beispielsweise ein Brennstoffzellensystem und umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit einer
Kathodengaszuführung zur Zuführung von Kathodengas zu der Brennstoffzelle und einer Brennstoffzellenabgasieitung zur
Ausförderung von Anodenabgas, Kathodenabgas oder
Brennstoffzellenmischabgas aus der Brennstoffzelle. In der
Kathodengaszuführung ist eine Fördervorrichtung vorgesehen, insbesondere ein Kompressor, die eingerichtet ist, Unterdruck in der Brennstoffzelle zu erzeugen und Spülgas durch die Brennstoffzelle zu saugen. Durch die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ein Saugen von Spülgas anstelle eines Drückens von Spülgas durch die Brennstoffzelle mittels hohem Druck ermöglicht, kann eine Trocknung der Brennstoffzelle innerhalb kürzester Zeit erfolgen und eine Brennstoffzelle mit guten Froststarteigenschaften bereitgestellt werden.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren dargelegten Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Im Hinblick auf eine einfache Bauteilanordnung ist die
Fördervorrichtung eine Kathodengasfördervorrichtung zum Zuführen von Kathodengas zur Brennstoffzelle, die in umgekehrter
Förderrichtung betrieben wird. Dies ist durch eine elektronische Steuerung einfach und kostengünstig umsetzbar. Es kann ferner auf zusätzliche Fördervorrichtungen verzichtet und eine Vorrichtung mit einem Minimum an funktionalen Bauteilen bereitgestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Vorrichtung ferner eine Spülgaszuführung und/oder einen Spülgasauslass umfasst, die in der Kathodengaszuführung zwischen der Fördervorrichtung und der Brennstoffzelle angeordnet sind. So kann die Fördervorrichtung in normaler Förderrichtung betrieben werden, und dennoch Spülgas mit hoher Effizienz durch die Brennstoffzelle gesaugt werden. Das
Betreiben der Fördervorrichtung in üblicher Förderrichtung ist im
Hinblick auf die in Förderrichtung ausgelegte geometrische Anordnung der Fördervomchtungsbauteile meist Schaufelgeometrie und eine damit erhöhte Fördermenge besonders vorteilhaft.
Weiter vorteilhaft umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine erste Bypassleitung und/oder eine zweite Bypassleitung, wobei die erste Bypassleitung die Brennstoffzellenabgasleitung und die
Kathodengaszuführung stromabwärts der Fördervorrichtung verbindet und wobei die zweite Bypassleitung die Kathodengaszuführung stromabwärts der Fördervorrichtung mit der Kathodengaszuführung stromaufwärts der Fördervorrichtung verbindet. Hierdurch werden unter baulichen Gesichtspunkten einfache Förderwege für das durch die Brennstoffzelle zu saugende Spülgas bereitgestellt, ohne wesentlich in die Architektur der Vorrichtung einzugreifen.
Zur Vereinfachung der Steuerung der Flussrichtung des Spülgases sind die erste Bypassleitung und die zweite Bypassleitung über ein
Mehrwegeventil miteinander verbunden.
Um die für die Trocknung der Brennstoffzelle erforderliche Zeit zu reduzieren, insbesondere bei der Verwendung von durch die
Brennstoffzellenabgasleitung angesaugter Frischluft als Spülgas, umfasst die Vorrichtung mindestens einen in der
Brennstoffzelienabgasleitung angeordneten Kondenser. Ein Kondenser oder Wasserabscheider kann alternativ oder additiv auch am
Brennstoffzellenauslass vor Abzweigung der ersten Bypassleitung vorgesehen sein.
Das durch die Brennstoffzelle gesaugte Spülgas kann über einen Brennstoffzellenabgasauslass ausgefördert werden. Beispielsweise kann das durch die Brennstoffzelle gesaugte Spülgas über eine erste Bypassleitung bzw. einen Brennstoffzellen-Bypass (nachstehend wird vereinfachend der Begriff erste Bypassleitung verwendet) in die
Brennstoffzelienabgasleitung gefördert werden. Dies hat den Vorteil, dass in der Brennstoffzelienabgasleitung vorgesehene Komponenten, wie beispielsweise die Abgasanlage und/oder der Wasserabscheider, die ohnehin für den normalen bzw. regulären Brennstoffzellenbetrieb vorgesehen sind, auch das Spülgas entsprechend behandeln können. Somit wird bevorzugt vermieden, dass die aus der Brennstoffzelle gespülte Feuchtigkeit in die Umgebung gelangt. Ferner kann der Geräuschpegel durch die Schallreduktionsmaßnahmen der
Abgasanlage verringert werden. Überdies können der Brennstoffzelle nachgelagerte Auswerteeinrichtungen, wie beispielsweise die
Einrichtung zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration im
Brennstoffzellenabgas, auch für das Spülgas eingesetzt werden. Wird das Spülgas während des Nachlaufs durch den für den regulären Betrieb genutzten Brennstoffzellenabgasauslass abgeführt, verringert sich gleichzeitig Wasserstoffkonzentration in der
Brennstoffzelienabgasleitung. . Es könnte aber auch stromauf der Fördervorrichtung alternativ oder zusätzlich ein Spülgasauslass vorgesehen sein, durch den das Gas in die Umgebung entweicht. Insbesondere kann das Spülgas auch über die Kathodengaszuführung der Brennstoffzelle angesaugt werden. Das Spülgas kann zunächst durch den Kathodengas-Luftfilter der Brennstoffzelle gefiltert werden, bevor es durch die Brennstoffzelle gesaugt wird. Der Kathodengas- Luftfilter ist der Filter, der im regulären Betrieb der Brennstoffzelle das an der Reaktion auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle
teilnehmende Gas von etwaigen Verunreinigungen und/oder
Schadgasen reinigt. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass das Spülgas durch einen separaten Filter gefiltert wird. Die Verwendung des Kathodengas-Luftfilters ist jedoch besonders bevorzugt, da sich so Bauraum, Herstellungs- und Servicekosten reduzieren lassen
Während des Saugens von Spülgas stromauf der Brennstoffzelle kann das Spülgas über den Kathodengas-Luftfilter derart angesaugt werden, dass die Fördervorrichtung nicht durchströmt wird. Während des Saugens von Spülgas kann die Fördervorrichtung über mindestens eine Leitung mit der Brennstoffzellenabgasleitung derart verbunden sein, dass die Fördervorrichtung Spülgas durch die Brennstoffzelle ansaugt. Bereits in der Leitung stromab der Fördervorrichtung und stromauf der Brennstoffzelle entsteht ein Unterdruck, der Feuchtigkeit
auskondensieren lässt. Bevorzugt ist ein Wasserabscheider in der Leitung zwischen Brennstoffzelle und Fördervorrichtung vorgesehen, damit möglichst wenig Feuchtigkeit in die Fördervorrichtung gelangt. Besonders bevorzugt ist der Wasserabscheider zwischen der
Brennstoffzelle und einem in der Brennstoffzellenabgasleitung angeordneten (ersten) Mehrwegeventil vorgesehen. Somit kann ein Wasserabscheider für den normalen Betrieb und für den Nachlauf eingesetzt werden.
Es können mehrere Mehrwegeventile vorgesehen sein, die in der Kathodengaszuführung und/oder in der Brennstoffzellenabgasleitung derart angeordnet und ausgebildet sein können, dass sie während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle Kathodengas zur Brennstoffzelle leiten und Brennstoffzellenabgas aus der Brennstoffzelle durch die Brennstoffzellenabgasleitung und/oder den
Brennstoffzellenabgasauslass abführen. Ferner können die
Mehrwegeventile derart angeordnet und ausgebildet sein, dass sie während des Saugens von Spülgas Spülgas von dem Kathoden- Luftfilter in die Brennstoffzelle leiten und das Spülgas stromab der Brennstoffzelle der Fördervorrichtung zuführen, so dass diese gefiltertes Spülgas durch die Brennstoffzelle ansaugt.
Es wird auch die Verwendung einer in umgekehrter Förderrichtung betriebenen Fördervorrichtung zum Erzeugen von Unterdruck in einer Brennstoffzelle zum Spülen der Brennstoffzelle mit Spülgas
beschrieben.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösungen sowie deren
Weiterbildungen ergeben sich folgende Vorteile:
- Es wird ein einfach umsetzbares und kostengünstiges Verfahren zum Spülen und Trocknen einer Brennstoffzelle bereitgestellt. - Die mindestens eine Brennstoffzelle enthaltende Vorrichtung eignet sich gut für einen Froststart. Die Vorrichtung kann mit minimalen baulichen Abwandlungen bereitgestellt werden.
Eine Vereinfachung der Verfahrensführung ist selbst ohne bauliche Abwandlung der Vorrichtung lediglich durch
Abänderung der elektronischen Steuerung möglich.
Es können die bereits vorhandenen Komponenten zur
Behandlung des Spülgases stromauf und stromab der
Brennstoffzelle eingesetzt werden. Es reduzieren sich
Platzbedarf, Herstell- und Servicekosten.
Es können die bereits vorhandenen Sicherheitssysteme den Spülvorgang überwachen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen: Figur 1 einen Ausschnitt einer eine Brennstoffzelle enthaltenden
Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 einen Ausschnitt einer eine Brennstoffzelle enthaltenden
Vorrichtung gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, Figur 3 einen Ausschnitt einer eine Brennstoffzelle enthaltenden
Vorrichtung gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
Figur 4 einen Ausschnitt einer eine Brennstoffzelle enthaltenden
Vorrichtung gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, Figur 5a einen Ausschnitt einer eine Brennstoffzelle enthaltenden
Vorrichtung gemäß einer vierten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung im normalen Betrieb, und
Figur 5b einen Ausschnitt einer Brennstoffzelle gemäß Fig. 5a im
Nachlauf.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Vergleich zum Stand der Technik im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt, alle übrigen Bauteile sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.
Figur 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung 10, beispielsweise einem Brennstoffzellensystem, die gemäß dem Stand der Technik betrieben wird. Vorrichtung 10 umfasst eine Brennstoffzelle 1 , die an ihrem Eingang mit einer Kathodengaszuführung 2 verbunden ist. Über die Kathodengaszuführung 2 wird mittels einer
Fördervorrichtung 3, insbesondere einem Kompressor, Kathodengas zur Brennstoffzelle 1 befördert. Die Fördervorrichtung 3 fördert das Kathodengas dabei so, dass es mit erhöhtem Förderdruck zur
Brennstoffzelle 1 gelangt. An einen Brennstoffzellenausgang schließt sich eine Brennstoffzellenabgasleitung 5 an. Am Ende der
Brennstoffzellenabgasleitung 5 entweicht das Brennstoffzellenabgas über einen Brennstoffzellenabgasauslass 6 aus der Vorrichtung 10 in die Umgebung. In der Brennstoffzellenabgasleitung 5 kann eine Drosselklappe 4 angeordnet sein, die eine Ausfördermenge an
Brennstoffzellenabgas regelt.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Bypassleitung 7, die
stromabwärts der Brennstoffzelle 1 von der
Brennstoffzellenabgasleitung 5 abzweigt, die Brennstoffzelle 1 umgeht und stromaufwärts der Brennstoffzelle 1 über ein Mehrwegeventil 8 in die Kathodengaszuführung 2 stromabwärts der Fördervorrichtung 3 einmündet.
Im Falle des Abschaltens der Vorrichtung 10, also beim so genannten Shut-Down-Vorgang der Brennstoffzelle 1 , wird über die
Kathodengaszuführung 2 Spülgas durch die in normaler Richtung betriebene Fördervorrichtung 3 zur Brennstoffzelle 1 befördert, die Brennstoffzelle 1 gespült und Spülgas sowie darin enthaltenes Wasser über die Brennstoffzellenabgasleitung 5 und den
Brennstoffzellenabgasauslass 6 ausgefördert.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung 20 gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung. Vorrichtung 20 ist identisch zu Vorrichtung 10 aus Figur 1 aufgebaut, umfasst also sämtliche Bauteile in analoger Anordnung. Lediglich die
Fördervorrichtung 3 wird in umgekehrter Förderrichtung betrieben. Dies kann elektronisch gesteuert werden, so dass keine baulichen
Maßnahmen an der Vorrichtung 20 durchgeführt werden müssen, um einen effektiven Spüleffekt zu erzielen. Die Fördervorrichtung 3 erzeugt somit einen Unterdruck. Durch den Unterdruck wird über den
Brennstoffzellenabgasauslass 6 Frischluft angesaugt und durch die Brennstoffzellenabgasleitung 5 und durch die Brennstoffzelle 1 gefördert. Dadurch wird die Brennstoffzelle 1 mit Frischluft gespült und in der Brennstoffzelle 1 enthaltenes Wasser daraus entfernt. Das durch das in der Brennstoffzelle 1 enthaltene Wasser befeuchtete Spülgas wird über die Kathodengaszuführung 2 ausgefördert. Über die
Drosselklappe 4 kann die Menge an Spülgas und das Druckniveau in der Brennstoffzelle 1 gezielt gesteuert werden.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung 30 gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung. Hier wird die
Fördervorrichtung 3 in aus dem Stand der Technik bekannter normaler Förderrichtung betrieben. Die stromaufwärtige Richtung der
Fördervorrichtung 3 ist mit ihrer stromabwärtigen Richtung durch eine zweite Bypassleitung 13 verbunden. Die Bypassleitung 13 ist durch zwei Mehrwegeventile 1 1 und 12 an die Kathodengaszuführung 2 angeschlossen. Am Mehrwegeventil 1 1 ist ein Spülgasauslass 9 vorgesehen, über den befeuchtetes, durch die Brennstoffzelle 1 gesaugtes Spülgas ausgefördert werden kann.
Wie bereits für die Vorrichtung 20 aus Figur 2 beschrieben, wird über den Brennstoffzellenabgasauslass 6 Frischluft durch den durch die Fördervorrichtung 3 erzeugten Unterdruck angesaugt und über die Brennstoffzellenabgasleitung 5 durch die Brennstoffzelle 1 gefördert. Alternativ dazu kann in der Brennstoffzellenabgasleitung 5 auch eine separate Spülgaszuführung nicht gezeigt angeordnet sein, über die Frischluft eingesaugt werden kann.
Die Brennstoffzelle 1 kann so mit Frischluft gespült und in der
Brennstoffzelle 1 enthaltenes Wasser daraus entfernt werden. Das durch das in der Brennstoffzelle 1 enthaltene Wasser befeuchtete Spülgas wird über die Kathodengaszuführung 2 geleitet und am
Mehrwegeventil 1 1 einer zweiten Bypassleitung 13 zugeführt. Über das Mehrwegeventil 12 gelangt das befeuchtete Spülgas in die
Kathodengaszuführung 2, wird durch die Fördervorrichtung 3 geführt und über das Mehrwegeventil 11 durch den Spülgasauslass 9 ausgeschleust. Über die Drosselklappe 4 kann die Menge an Spüigas und das Druckniveau in der Brennstoffzelle 1 gezielt geregelt werden.
In der Brennstoffzellenabluftleitung 5 kann bzw. können Kondenser 16, 17 angeordnet sein, durch die Wasser aus der über die
Brennstoffzellenabgasleitung 5 angesaugte Frischluft vor dem
Durchgang durch die Brennstoffzelle 1 entfeuchtet werden kann. Das durch die Brennstoffzelle 1 zu saugende Spülgas ist somit
vorgetrocknet und kann eine größere Menge an Wasser aufnehmen, was den Trocknungsvorgang der Brennstoffzelle 1 beschleunigt.
Die in Figur 4 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung 40 unterscheidet sich von Vorrichtung 30 aus Figur 3 darin, dass die erste Bypassleitung 7 und die zweite Bypassleitung 13 über ein Mehrwegeventil 15 miteinander koppelbar sind. Des Weiteren ist in der
Kathodengaszuführung 2 eine Spülgaszuführung 14 vorgesehen, über die Spülgas, und insbesondere Frischluft, eingesaugt werden kann. Die Drosselklappe 4 wird hierzu geschlossen. Die in normaler
Förderrichtung betriebene Fördervorrichtung 3 saugt somit über die Spülgaszuführung 14 Spülgas durch die Brennstoffzelle 1 . Das durch das in der Brennstoffzelle 1 enthaltene und daraus ausgetriebene Wasser befeuchtete Spülgas wird über die erste Bypassleitung 7 und die zweite Bypassleitung 13 und die Fördervorrichtung 3 in die
Kathodengaszuführung 2 gesaugt und am Mehrwegeventil 1 1 in den Spülgasauslass 9 abgeleitet. Fig. 5a zeigt eine Vorrichtung für das hier offenbarte Verfahren im regulären Betrieb. Das Kathodengas strömt durch den Kathoden- Luftfilter 51 und durch das zweite Mehrwegeventil 53 in die
Fördervorrichtung 3, hier beispielsweise ein Kompressor. Die
Fördervorrichtung 3 verdichtet das Kathodengas, welches dann durch das dritte Mehrwegeventil 55 in die Brennstoffzelle 1 strömt. Nicht dargestellt sind etwaige Befeuchtungsmaßnahmen, die bevorzugt zwischen dem dritten Mehrwegeventil 55 und der Brennstoffzelle 1 angeordnet sein können, um das Kathodengas vor Eintritt in die Brennstoffzelle 1 zu befeuchten. Gleichzeitig kann im regulären Betrieb Kathodengas durch den Brennstoffzellen-Bypass (erste Bypassleitung) 7 strömen. Ein solcher Bypass 7 und eine solche Bypass-Strömung sind für einen effizienten Betrieb der Brennstoffzelle 1 bzw. der
Fördervorrichtung 3 in der Regel ohnehin vorgesehen. Das zweite Mehrwegeventil 53 kann während des normalen Betriebs eine
Strömung durch die Leitung 52 und/oder durch die zweite
Bypassleitung 13 unterbinden, sofern diese Funktion nicht durch ein anderes Ventil gewährleistet ist. Auch wenn in den schematischen Figuren 5a und 5b die Fördervorrichtung 3, die zweite Bypassleitung 13 und das zweite und dritte Mehrwegeventil 53, 55 als getrennte
Komponenten gezeigt sind, sind bevorzugt eine oder mehrere dieser Komponenten mit in der Fördervorrichtung 3 integriert.
Das in die Brennstoffzelle 1 strömende Kathodengas nimmt an der Kathode zumindest teilweise an der elektrochemischen Reaktion teil bevor es als Abgas die Brennstoffzelle 1 wieder verlässt. Es
durchströmt hier dann das erste Mehrwegeventil 54 um dann in die Abgasanlage 6a zu gelangen. Nicht gezeigt in Fig. 5a ist der
Wasserabscheider 16, der bevorzugt zwischen der Brennstoffzelle 1 und dem ersten Mehrwegeventil 54 angeordnet sein kann. Bevorzugt verhindern auch das erste und/oder das zweite Mehrwegeventil 54, 55 eine Bypassströmung durch die Leitungen 52, 13. Es könnte aber auch ausreichen, das lediglich jeweils eines der Mehrwegeventile 53, 54, 55 die Sperrung der Bypassleitungen 52, 13 bewirkt.
Fig. 5b zeigt die Vorrichtung 50 gemäß der Fig. 5a während des
Saugens von Spülgas (Nachlauf). Das zweite Mehrwegeventil 53 ist jetzt so geschaltet, dass Spülgas durch den Kathodengas-Filter 51 in die zweite Bypassleitung 13 gelangt. Der direkte Durchfluss von
Kathodengas vom Filter 51 zur Fördervorrichtung 3 ist jetzt
unterbunden. Das dritte Mehrwegeventil 55 stromab der Brennstoffzelle 1 ist nun so geschaltet, dass es Spülgas aus der zweiten Bypassleitung 13 in die Brennstoffzelle 1 leitet. Auch die direkte Verbindung zwischen Fördervorrichtung 3 und Brennstoffzelle 1 über das dritte
Mehrwegeventil 55 ist bevorzugt unterbunden. Stromab der
Brennstoffzelle 1 ist das erste Mehrwegeventil 54 angeordnet, dass im Nachlauf das Spülgas stromab der Brennstoffzelle 1 über die Leitung
52 zum zweiten Mehrwegeventil 53 leitet. Im zweiten Mehrwegeventil
53 ist während der Saugphase die Leitung 52, und somit die Abgasseite der Brennstoffzelle , mit der Fördervorrichtung 3 fluidverbunden. Somit saugt die Fördervorrichtung 3 also im Nachlauf Spülgas aus der Brennstoffzelle 1 (siehe Pfeile). Dazu muss die Förderrichtung der Fördervorrichtung 3 nicht umgekehrt werden. Folglich können die Schaufelräder der Fördervorrichtung 3 für eine einzige Förderrichtung optimiert werden. Nicht gezeigt in Fig. 5b ist der Wasserabscheider 16, der stromab der Fördervorrichtung 3, bevorzugt zwischen dem ersten Mehrwegeventil 54 und der Brennstoffzelle angeordnet sein kann. Der Wasserabscheider 16 verringert die Feuchtigkeit, die ansonsten die Fördervorrichtung 3 angreifen könnte. Stromaufwärts der
Fördervorrichtung 3 wird hier das Spülgas über den ersten Bypass 7 (wieder) der Brennstoffzellenabgasleitung 5 zugeführt, hier über das erste Mehrwegeventil 54. Anschließend entweicht es durch die
Abgasanlage 6a. Alternativ kann ein weiterer Bypass vorgesehen sein, der während des regulären Betriebs nicht als Kathoden-Bypass verwendet wird. Auch könnte das Spülgas stromauf der
Fördervorrichtung 3 durch einen Spülgasauslass 9 (nicht gezeigt) direkt abgelassen werden.
In der zweiten Bypassleitung 13 ist eine Drossel 4 vorgesehen. Über diese Drossel 4 kann in Verbindung mit der Fördervorrichtung 3 der Saugeffekt bzw. der Unterdruck variiert werden. Es könnte aber ebenso ausreichen, dass in einer bevorzugten Ausführung die zweite
Bypassleitung 13 selbst einen so geringen Querschnitt aufweist, dass die zweite Bypassleitung infolge dieses geringen Querschnitts als Strömungswiderstand fungiert, der einen Unterdruck ermöglicht bzw. begünstigt.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen. Bezugszeichenliste:
1 Brennstoffzelle
2 Kathodengaszuführung
3 Fördervorrichtung
4 Drosselklappe
5 Brennstoffzellenabgasleitung
6 Brennstoffzellenabgasauslass
7 erste Bypassleitung
8 Mehrwegeventil
9 Spülgasauslass
10 Vorrichtung
1 1 Mehrwegeventil
12 Mehrwegeventil
13 zweite Bypassleitung
14 Spülgaszuführung
15 Mehrwegeventil
16 Kondenser
17 Kondenser
20 erfindungsgemäße Vorrichtung
30 erfindungsgemäße Vorrichtung
40 erfindungsgemäße Vorrichtung
50 erfindungsgemäße Vorrichtung
51 Luftfilter
52 Leitung
53 zweites Mehrwegeventil
54 erstes Mehrwegeventil
55 drittes Mehrwegeventil

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Spülen einer Brennstoffzelle (1 ), gekennzeichnet durch den Schritt des Saugens von Spülgas durch die
Brennstoffzelle (1 ) mittels Unterdruck.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass während des Saugens von Spülgas eine Fördervorrichtung (3) für Kathodengas in normaler Förderrichtung betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Brennstoffzelle (1) gesaugte Spülgas übereinen Brennstoffzellenabgasauslass (6) ausgefördert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das durch die Brennstoffzelle (1 ) gesaugte Spülgas über eine erste Bypassleitung (7) in den Brennstoffzellenabgasauslass (6) gefördert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spülgas über die Kathodengaszuführung (2) der
Brennstoffzelle (1 ) angesaugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spülgas zunächst durch den Kathodengas-Luftfilter (51) der Brennstoffzelle (1 ) gefiltert wird, bevor es durch die
Brennstoffzelle (1 ) gesaugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Saugens von Spülgas stromauf der Brennstoffzelle (1 ) das Spülgas über den Kathodengas-Luftfilter (51 ) angesaugt wird ohne dabei die Fördervorrichtung (3) zu durchströmen, und wobei während des Saugens von Spülgas die Fördervorrichtung (3) über mindestens eine Leitung (52) mit der
Brennstoffzellenabgasleitung (5) derart verbunden ist, dass die Fördervorrichtung (3) Spülgas durch die Brennstoffzelle angesaugt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das durch die Brennstoffzelle (1 ) gesaugte Spülgas über einen in einer Kathodengaszuführung (2) der Brennstoffzelle (1 ) vorgesehenen Spülgasauslass (9) ausgefördert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dass Spülgas über eine in einer Kathodengaszuführung (2) der
Brennstoffzelle (1 ) vorgesehene Spülgaszuführung (14) oder separaten Spülgaszuführung angesaugt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung des Unterdrucks eine Förderrichtung in der Brennstoffzelle (1 ) umgekehrt wird.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spülgas über eine
Brennstoffzellenabgasleitung (5), insbesondere über einen Brennstoffzellenabgasauslass (6), angesaugt wird. 2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Abschalten der Brennstoffzelle zunächst für wenige Sekunden, vorzugsweise für 1 bis 10 Sekunden, insbesondere für 2 bis 5 Sekunden, die Förderrichtung beibehalten wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus der Brennstoffzellenabluft und/oder aus dem Spülgas vor dem Saugen durch die Brennstoffzelle (1 ) Wasser
auskondensiert wird.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Brennstoffzelle (1 ) mit einer Kathodengaszuführung (2) und einer
Brennstoffzellenabgasleitung (5), wobei in der
Kathodengaszuführung (2) eine Fördervorrichtung (3), insbesondere ein Kompressor, angeordnet ist, die eingerichtet ist, Unterdruck in der Brennstoffzelle (1) zu erzeugen und
Spülgas durch die Brennstoffzelle (1 ) zu saugen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung eine Fördervorrichtung (3) zum Zuführen von Kathodengas zur Brennstoffzelle (1 ) ist, die während des Saugens von Spülgas in normaler Förderrichtung betrieben wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, ferner umfassend eine Spülgaszuführung (14) und/oder einen Spülgasauslass (9), die in der Kathodengaszuführung (2) zwischen der Fördervorrichtung
(3) und der Brennstoffzelle (1) angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, dass sie eine erste Bypassleitung (7) und/oder eine zweite Bypassleitung (13) umfasst, wobei die erste
Bypassleitung (7) die Brennstoffzellenabgasleitung (5) und die
Kathodengaszuführung (2) stromabwärts der Fördervorrichtung (3) verbindet und wobei die zweite Bypassleitung (13) die Kathodengaszuführung (2) stromabwärts der Fördervorrichtung (3) mit der Kathodengaszuführung (2) stromaufwärts der
Fördervorrichtung (3) verbindet.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, ferner
umfassend mehrere Mehrwegeventile, die in der
Kathodengaszuführung (2) und/oder in der Brennstoffzellenabgasleitung (5) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sie während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle (1 ) Kathodengas zur Brennstoffzelle (1 ) leiten und Brennstoffzellenabgas aus der Brennstoffzelle (1 ) abführen und während des Saugens von Spülgas Spülgas von einem Kathoden-Luftfilter (20) in die Brennstoffzelle (1) leiten und das Spülgas stromab der Brennstoffzelle (1 ) der Fördervorrichtung (3) zuführen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, ferner umfassend mindestens einen in der
Brennstoffzellenabgasleitung (5) angeordneten Kondenser (16, 17).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018208987A1 (de) * 2018-06-07 2019-12-12 Audi Ag Spülsystem für ein Gehäuse und Brennstoffzellensystem
DE102020206156A1 (de) * 2020-05-15 2021-11-18 Cellcentric Gmbh & Co. Kg Brennstoffzellensystem
CN112701327B (zh) * 2020-12-29 2021-11-30 浙江高成绿能科技有限公司 一种风冷式燃料电池吹扫系统及其关机方法
CN116072926A (zh) * 2022-10-29 2023-05-05 重庆长安新能源汽车科技有限公司 一种乘用车燃料电池负压吹扫空气系统及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040062975A1 (en) * 2002-10-01 2004-04-01 Honda Motor Co., Ltd. Apparatus for dilution of discharged fuel
KR20080046025A (ko) * 2006-11-21 2008-05-26 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 작동 유체 배출장치 및 그 제어 방법
US20090104480A1 (en) * 2007-10-18 2009-04-23 Machuca Joe C Assisted stack anode purge at start-up of fuel cell system
US20120201715A1 (en) * 2011-02-03 2012-08-09 Honda Motor Co., Ltd. Hydrogen detection system

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4048933B2 (ja) * 2002-11-26 2008-02-20 株式会社デンソー 燃料電池システム
DE10314820B4 (de) * 2003-04-01 2016-11-24 General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware) Verfahren zum Verhindern der Einfrierung von Wasser im Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem
FR2855656B1 (fr) * 2003-05-28 2005-07-15 Renault Sa Module de puissance pour vehicule automobile comprenant une pile a combustible et procede de mise hors gel d'une pile a combustible
US6984464B2 (en) * 2003-08-06 2006-01-10 Utc Fuel Cells, Llc Hydrogen passivation shut down system for a fuel cell power plant
US20050142399A1 (en) * 2003-12-31 2005-06-30 Kulp Galen W. Procedure for starting up a fuel cell using a fuel purge
JP2005259458A (ja) * 2004-03-10 2005-09-22 Fuji Heavy Ind Ltd 燃料電池システム
JP4332568B2 (ja) * 2007-04-03 2009-09-16 本田技研工業株式会社 移動装置
JP2011508947A (ja) * 2007-12-28 2011-03-17 ユーティーシー パワー コーポレイション 起動時の燃料電池セルのカソードにおける水素の燃焼
US8900766B2 (en) 2012-09-28 2014-12-02 GM Global Technology Operations LLC Automated cold storage protection for a fuel cell system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040062975A1 (en) * 2002-10-01 2004-04-01 Honda Motor Co., Ltd. Apparatus for dilution of discharged fuel
KR20080046025A (ko) * 2006-11-21 2008-05-26 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 작동 유체 배출장치 및 그 제어 방법
US20090104480A1 (en) * 2007-10-18 2009-04-23 Machuca Joe C Assisted stack anode purge at start-up of fuel cell system
US20120201715A1 (en) * 2011-02-03 2012-08-09 Honda Motor Co., Ltd. Hydrogen detection system

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