WO2015180746A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the invention relates to a fuel cell system with at least one
  • Fuel cell systems are known from the general state of the art. They typically have a so-called fuel cell stack, which consists of stacked individual cells. Each of the single cells includes one
  • Fuel cell stack which provides the voltage defined by the typically series connection of the individual cells.
  • the cathode areas, the anode areas and the areas for cooling water in the individual cells are sealed off from each other and from the surroundings of the fuel cell stack via seals.
  • the seals in the entire fuel cell stack are comparatively long, so that in a fuel cell stack in the performance class of up to 100 kW 200 to 300 m seal length on the anode side and again just as much
  • the fuel cell stack is arranged in a housing which protects it mechanically and the small amounts of hydrogen, by diffusion and by
  • the housing can for example be traversed by a stream of air, so emerged Hydrogen is removed, so as to prevent the environment of the
  • Fuel cell system sets a safety-critical hydrogen concentration.
  • a core problem is when oxygen is present at the start of the fuel cell in the anode region of the fuel cell and hydrogen is introduced during the electrical start.
  • a hydrogen / oxygen recombination front runs over the anode catalyst and, due to the differences in concentration, an electric potential difference occurs between the input and output side of the fuel cell stack.
  • a structure is described in the cited document, which significantly reduces the penetration of oxygen into the cathode side during standstill, ie when the fuel cell system is switched off, by means of a system bypass valve. The penetration of oxygen is through
  • gases primarily for hydrogen, but also for air constituents and water vapor.
  • Atmosphere towards open housing penetrate into the fuel cell stack. Once the oxygen has displaced the hydrogen on the anode, it will cause damaging effects when the system restarts.
  • the object of the present invention is now to avoid the disadvantages mentioned and to provide a fuel cell system and a method for switching off such a fuel cell system, which has a very simple structure and allows a long service life of the fuel cell stack.
  • Housing is arranged in a conventional manner to the fuel cell stack.
  • the housing has at least one ventilation connection to the environment or another volume. This at least one ventilation connection,
  • the at least one ventilation connection comprises a valve device. If a ventilation input line and a ventilation input line
  • Ventilation outlet line is installed, it is provided that have at least one, preferably both lines, a valve device.
  • a valve device such as a solenoid valve, a flap or the like, the housing can be sealed if necessary.
  • Fuel cell system will primarily diffuse the hydrogen from the anode compartment to the cathode compartment or by smaller membrane or seal leaks. If oxygen is still present in the cathode space, an abreaction reaction takes place there on the cathode catalyst until the oxygen is used up, provided that a sufficient amount of hydrogen in the anode space during shutdown
  • the housing consists of at least two housing parts, between which one or more housing seals are arranged. It is further provided that the length of the housing seal is much smaller than the total length of seals in the
  • the housing seal can be made of a particularly diffusion-inhibiting material, which is much easier to realize in the construction of the housing, than in the construction of the fuel cell stack itself.
  • this is not absolutely necessary, since the main effect already is achieved by the difference in length between the housing seals and the seals of the fuel cell stack.
  • Recombination device for the conversion of hydrogen, in particular with Oxygen, is present.
  • Such a recombination device can be provided in particular for the conversion of hydrogen and oxygen to a suitable catalyst in the housing.
  • this recombination device has the decisive advantage that oxygen can flow through the anode space into the anode chamber
  • Hydrogen concentration is present.
  • diffusion processes can be largely brought to a standstill and it can be ensured that over a very long period of many hours a hydrogen atmosphere in the
  • a system bypass valve and / or preferably the use of shut-off valve devices are provided in the supply air line and the exhaust air line
  • the valve device is closed in the at least one ventilation connection.
  • the air supply to the cathode compartment of the fuel cell stack is turned off and the unwanted air supply, for. B. due to convection or caused by outside wind air flow, by closing the air inlet and / or the air outlet at least reduced or completely prevented, after which hydrogen to a predetermined pressure or a predetermined volume of hydrogen is passed into the anode compartment of the fuel cell stack.
  • the shutdown of the fuel cell system can be done very easily and efficiently.
  • introducing hydrogen to a predetermined pressure or the introduction of a predetermined volume of hydrogen a certain excess of hydrogen, respectively an overpressure, is created in the area of the anode space.
  • the hydrogen can then pass in the manner described above both in the cathode compartment and in the housing. After a certain time, an equilibrium state arises, so that a hydrogen atmosphere is present both inside the fuel cell itself and in the housing, which thus over a very long period of time without further addition of hydrogen or a different monitoring of the
  • Fuel cell system can be maintained. In this way, over a comparatively long standstill period of ideally more than 10 to 24 hours, it can be ensured that, in the event of a restart, there are always conditions which enable a restart without damaging the fuel cell or prevent a reduction in the service life of the fuel cell.
  • the oxygen present in the cathode space is at least partially depleted before or during the supply of hydrogen.
  • oxygen depletion is certainly an advantage, but in principle not absolutely necessary.
  • it allows, for example, by an electrical "exhaustion" of the residual oxygen in the cathode space, a much shorter period of time until the desired equilibrium conditions set, so overall faster and with a smaller amount of hydrogen an advantageous state of the
  • Fuel cell stack or the entire fuel cell system, with respect to a later restart can be achieved.
  • a particularly preferred use of the fuel cell system is in the application in a vehicle in which it serves to provide drive power.
  • the drive power can completely or at least partially by the
  • Fuel cell system can be provided. Especially such
  • a vehicle 1 is indicated schematically.
  • To provide electrical drive power for the vehicle 1 is a
  • Fuel cell system 2 provided.
  • the core of the fuel cell system 2 forms a fuel cell stack 3, which is constructed in a conventional manner from a plurality of individual cells in PEM technology.
  • Each of these individual cells has a cathode region, an anode region and a cooling water region.
  • the anode regions and the cathode regions are relevant. In the illustrated figure are therefore only one
  • Proton exchange membrane 6 indicated in principle. They are representative of the plurality of anode regions, cathode regions and proton exchange membranes in the fuel cell stack 3.
  • the fuel cell stack 3 is arranged in a housing 7, which consists of a first housing part 7.1 and a second housing part 7.2, for example a housing cover. Between the housing parts 7.1, 7.2 a not visible here housing seal is arranged.
  • the housing 7 also has two ventilation connections 8, 9.
  • the ventilation connection 8 is designed as a ventilation supply line 8 and is connected, for example via an air filter 10 indicated here, to the environment of the housing 7.
  • the second ventilation connection 8 is designed as a ventilation supply line 8 and is connected, for example via an air filter 10 indicated here, to the environment of the housing 7.
  • Ventilation connection 9 is designed as ventilation section 9, and opens into an air supply line to the cathode compartment 5 of the fuel cell stack 3, in
  • the housing is thus constantly flowed through by an air flow. Possibly out of the fuel cell stack 3 leaking hydrogen is sucked during operation together with the supply air and can react on the catalyst of the cathode compartment 5 with the oxygen and is thereby rendered harmless.
  • Alternative embodiments of the housing ventilation are known to those skilled in the art from the general state of the art and can also be used here. It is only decisive that a ventilation of the housing 7 is provided, which has at least one ventilation connection 8, 9, of which, if both exist, at least one of which has a valve device.
  • 1 1 air is promoted as an oxygen supplier in the cathode compartment 5 of the fuel cell stack via an air conveyor.
  • Hydrogen is supplied from a compressed gas reservoir 12 to the anode chamber 4 of the fuel cell stack 3.
  • the hydrogen passes through a pressure regulating and metering valve 13 in the region of the anode chamber 4.
  • a recirculation line 14 and a gas jet pump as
  • Recirculation conveyors conceivable. It is essential that the anode chamber with recirculation usually represents a closed space to the atmosphere, which remains closed even after switching off the system. The unused hydrogen after the anode compartment 4 is thus recycled and can be used up gradually.
  • This so-called anode circuit or anode loop is known from the general state of the art. He is shown very simplified here. In reality, he will also have water separators, drain valves and the like. This is for the present invention of minor importance and therefore not shown. However, as is well known and common to one skilled in the art, these elements may be disposed in the anode circuit.
  • the housing 7 around the fuel cell stack 3 is formed gas-tight except for the ventilation lines 8, 9 and constructed at its sealing point between the housing parts 7.1 and 7.2 with the shortest possible seal length.
  • the length of the Housing seal between the housing parts 7.1 and 7.2 is in particular substantially shorter than the length of the seals between the individual cells of the
  • Fuel cell stack 3 a seal length within the stack of a total of about 400 to 600 m are present.
  • the length of the seals is divided relatively evenly between the anode side and the cathode side. For example, the
  • Housing seal between the housing parts 7.1 and 7.2 executed with a total length of about 1 m, then there is a significant difference in the length of the
  • the housing seal may be made of a particularly diffusion-inhibiting material. However, this is not absolutely necessary since the main effect is the difference in length between the total length of the
  • the procedure for switching off the fuel cell system 2 in the vehicle 1 is now the following: First, as is well known and customary, the supply of air by stopping the air conveyor 11 is prevented in a conventional manner. In particular, with continued hydrogen supply, the remaining oxygen remaining in the system can be consumed by further removal of electrical power, such as storage in a battery. In this ideal case, an oxygen-depleted atmosphere is then present in the cathode compartment 5. However, this is not absolutely necessary for the process. At the same time or subsequently, the possibility of supplying fresh oxygen, for example by means of convection effects or wind effects, should be prevented or reduced. This can be done for example by a system bypass, as mentioned in the aforementioned prior art. However, this can in particular very efficiently by the shut-off valve devices 16, 17 shown in the embodiment in the supply air to the cathode chamber 5 and in the exhaust duct from the
  • shut-off valve device in the supply air line 16 or a shut-off valve device in the exhaust air line 17 is present and is closed after switching off the fuel cell system 1.
  • valve devices 18, 19 are closed in the ventilation connections 8, 9.
  • an improvement with respect to the damage described during the restart can also be achieved if either a shut-off valve device in the ventilation supply air line 18 or a shut-off valve device in the ventilation exhaust duct 19 is present and is closed after switching off the fuel cell system 1.
  • the housing 7 is then sealed from the environment. Subsequently, a volume of hydrogen adapted to the system is metered into the anode compartment 4, for example by metering hydrogen up to a predetermined pressure. Thereafter, the hydrogen supply, for example by closing a hydrogen valve or a valve in the pressure regulating and metering device 13, turned off.
  • the pressure or the volume of hydrogen are predetermined so that in any case an excess amount of hydrogen in the anode compartment 4 is present.
  • Concentrations or partial pressures in the interior of the fuel cell stack 3 and in the interior of the housing 7 are balanced.
  • the diffusion of hydrogen then ceases and a sufficient amount of hydrogen remains in the fuel cell stack 3.
  • the hydrogen electrode is thus maintained at the electrochemical potential of 0 V.
  • arranged recombiner 20 recombine to water, so that any existing or diffusing oxygen reliable is consumed because then diffused by the resulting concentration gradient hydrogen from the fuel cell stack 3 in the housing 7.
  • it may come to the presence of an inflammable or even explosive mixture of hydrogen and oxygen. This essentially depends on the respective diffusion rate of the gases and the volumes as well as possible external leaks.
  • the housing volume is chosen so small that the amount of the ignitable mixture is considered safety-critical as uncritical.
  • the recombination device 20 for example in the form of a coating on the inner wall of the housing, a rapid degradation of the oxygen can be ensured, which also helps to avoid reaching the ignition limit at any time.
  • an optional pressure-responsive valve 21 may be provided in the region of the housing 7. This opens when the allowable pressure in the housing. 7
  • the fuel cell stack is very pressure-stable in all directions. Damage in the course of inventions is not possible.
  • the housing may be sensitive to pressure differences from the atmosphere, especially if it is weight-saving and correspondingly thin-walled.
  • Fuel cell stack creates a structure which the described state in which hydrogen both inside the fuel cell stack 3 and inside the Housing 7 is present, can maintain over a very long period of time.
  • periods of a few hours for example two to three hours, are known and customary.
  • periods of more than ten hours to more than twenty-four hours could be much longer periods realize, for example, periods of more than ten hours to more than twenty-four hours.
  • Fuel cell system 1 is metered coordinated that safe and reliable a hydrogen atmosphere in both the housing 7 and in the fuel cell stack 3 is present without hydrogen must be replenished. This has advantages, on the one hand, with regard to hydrogen consumption and, on the other hand, safety, since, in particular, metering-in of hydrogen in the fuel cell system 2 during the system standstill represents an undesirable measure, since the system is not operated as far as possible without the presence of operating personnel or a driver of the vehicle 1 should.
  • the advantage of the structure and the described method is that harmful gas changes on the anode side when restarting the fuel cell system 2 can be avoided, resulting in a much longer life of the
  • Fuel cell stack 3 by sparing the precious metal-containing and thus
  • the fuel cell system 2 can be realized very easily and efficiently.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (2) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (3), welcher in einem Gehäuse (7) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (7) wenigstens eine Belüftungsverbindung (8, 9) zur Umgebung oder einem anderen Volumen aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Belüftungsverbindung (8, 9) eine Ventileinrichtung (18, 19).

Description

Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem
Brennstoffzellenstapel nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abschalten eines derartigen
Brennstoffzellensystems sowie seine Verwendung.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie weisen typischerweise einen sogenannten Brennstoffzellenstapel auf, welcher aus aufgestapelten Einzelzellen besteht. Jede der Einzelzellen umfasst dabei einen
Anodenbereich, einen Kathodenbereich sowie einen Bereich für Kühlflüssigkeit. Durch das Aufeinanderstapeln der einzelnen Brennstoffzellen'entsteht dann der
Brennstoffzellenstapel, welcher die durch die typischerweise erfolgende Reihenschaltung der Einzelzellen definierte Spannung liefert. Die Kathodenbereiche, die Anodenbereiche und die Bereiche für Kühlwasser in den Einzelzellen sind dabei über Dichtungen gegeneinander und gegenüber der Umgebung des Brennstoffzellenstapels abgedichtet. Die Dichtungen in dem gesamten Brennstoffzellenstapel sind dabei vergleichsweise lang, sodass sich bei einem Brennstoffzellenstapel in der Leistungsklasse von bis zu 100 kW 200 bis 300 m Dichtungslänge auf der Anodenseite und nochmals genauso viel
Dichtungslänge auf der Kathodenseite ergeben. Problematisch ist es dabei, dass insbesondere Wasserstoff durch die typischerweise eingesetzten Dichtungsmaterialien relativ leicht diffundieren kann. Deshalb ist es typischerweise vorgesehen, dass der Brennstoffzellenstapel in einem Gehäuse angeordnet ist, welches diesen mechanisch schützt und die geringe Mengen an Wasserstoff, die durch Diffusion und durch
Dichtungsdefekte austreten, zur Ablüftung auffängt. Über Belüftungsleitungen kann das Gehäuse beispielsweise von einem Luftstrom durchströmt werden, sodass ausgetretener Wasserstoff abgeführt wird, um so zu verhindern, dass sich in der Umgebung des
Brennstoffzellensystems eine sicherheitskritische Wasserstoffkonzentration einstellt.
Eines der Probleme bei Brennstoffzellen ist, wie es beispielsweise aus der DE 10 2009 036 198 A1 bekannt ist, dass die Lebensdauer eines PEM-Brennstoffzellenstapels durch Degradationsmechanismen negativ beeinflusst wird. Ein Kernproblem ist es dabei, wenn beim Starten der Brennstoffzelle im Anodenbereich der Brennstoffzelle Sauerstoff vorliegt und während des elektrischen Starts Wasserstoff eingebracht wird. Dabei läuft eine Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombinations-Front über den Anodenkatalysator und es kommt durch die Konzentrationsunterschiede zu einem elektrischen Potenzialunterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsseite des Brennstoffzellenstapels. Die dabei einsetzenden elektrochemischen Prozesse schädigen vor allem den Katalysator auf der Kathodenseite nachhaltig, und eventuell in geringerem Maße den Katalysator auf der Anodenseite. Um der Problematik entgegenzuwirken, ist in der genannten Schrift ein Aufbau beschrieben, welcher das Eindringen von Sauerstoff in die Kathodenseite während des Stillstands, also beim abgeschalteten Brennstoffzellensystem, durch ein Systembypassventil deutlich reduziert. Das Eindringen von Sauerstoff wird durch
Druckunterschiede zwischen Ein- und Ausgang des Brennstoffzellensystens, z. B. bei einem Fahrzeug durch Windeffekte oder durch thermische Konvektionseffekte, verursacht. Der Aufbau mit einem Systembypass ist außerordentlich einfach und effizient.
Ferner ist in dieser Schrift im Stand der Technik die DE 10 2007 059 999 A1 genannt. Diese nutzt anstelle eines Systembypassventils Absperrventile in einer Zuluftleitung und einer Abluftleitung zum Kathodenraum, um so das Eindringen von frischem Sauerstoff in die Brennstoffzelle zu verhindern und damit ebenfalls einen positiven Effekt hinsichtlich der Lebensdauer zu erzielen.
Nun ist es so, dass auch bei diesen beiden Methoden das Problem entsteht, dass
Wasserstoff nicht nur vom Anodenraum in den Kathodenraum diffundiert, sondern auch von dem Anodenraum und etwas später gegebenenfalls von dem Kathodenraum in ein Gehäuse um den Brennstofzellentapel. Dies geschieht aufgrund der großen
Dichtungslängen in einem Brennstoffzellenstapel und aufgrund des Dichtungsmaterials, dass mehr oder weniger diffussionsdurchlässig für Gase ist, vorrangig für Wasserstoff, aber auch für Luftbestandteile und Wasserdampf. Somit verflüchtigt sich zuerst der nach dem Abschaltvorgang in dem Anodenraum befindliche Wasserstoff durch Abdiffusion. Die verbleibende Wasserstoffmenge wird daraufhin durch Eindringen von Luft-Sauerstoff durch Rekombination an den Elektroden-Katalysatoren abgebaut. Sauerstoff kann über zwei Wege in den Brennstoffzellenstapel eindringen. Einmal kann er über die
normalerweise offenen Luftversorgungskanäle durch Luftzug oder durch Diffusion eindringen. Oder er kann durch Dichtungsdiffusion über das normalerweise zur
Atmosphäre hin offene Gehäuse in den Brennstoffzellenstapel eindringen. Sobald der Sauerstoff den Wasserstoff auf der Anode verdrängt hat, kommt es bei Wiederstart des System zu den schädigenden Auswirkungen.
Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik in Form der DE 10 2009 018 105 A1 ist es ferner bekannt, dass bei einem Brennstoffzellenstapel ein Brennstoffzellengehäuse um den Brennstoffzellenstapel als Teil der Wasserstoffzuleitung oder Ableitung ausgebildet ist. Aus dem Brennstoffzellenstapel diffundierender Wasserstoff wird damit während des Betriebs des Brennstoffzellensystems wieder in den Wasserstoffkreislauf eingebunden und geht somit erstens nicht verloren und kann zweitens keine sicherheitskritischen explosiven Gemische mit Luft aus der Umgebung ausbilden. Der Nachteil dieses Aufbaus liegt darin, dass das Gehäuse mit seinen relativ großen Wandflächen dem Wasserstoff- Betriebsdruck ausgesetzt ist.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Abschalten eines derartigen Brennstoffzellensystems anzugeben, welches einen sehr einfachen Aufbau aufweist und eine hohe Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den
Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen
Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7 die Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen hiervon ergeben sich ebenfalls aus den abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist letztlich eine besonders bevorzugte Verwendung des Brennstoffzellensystems angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass ein
Gehäuse in an sich bekannter Art und Weise um den Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Das Gehäuse weist dabei wenigstens eine Belüftungsverbindung zur Umgebung oder einem anderen Volumen auf. Diese wenigstens eine Belüftungsverbindung,
typischerweise werden es zwei Belüftungsverbindungen sein, stellt sicher, dass eventuell während des Betriebs aus dem Brennstoffzellenstapel austretender Wasserstoff abgeführt wird und unschädlich gemacht werden kann. Eine weitere Funktion der Gehäusebelüftung ist normalerweise die Abtrocknung des aus dem
Brennstoffzellenstapel durch Diffusion und eventuell kleinere Leckagen entwichenen Wasserdampfs. Dies ist aber für diese Erfindung nicht relevant. Darüber hinaus ist es nun vorgesehen, dass die wenigstens eine Belüftungsverbindung erfindungsgemäß eine Ventileinrichtung aufweist. Wenn eine Belüftungseingangsleitung und eine
Belüftungsausgangsleitung installiert ist, ist vorgesehen das mindestens eine, vorzugsweise beide Leitungen, eine Ventileinrichtung aufweisen. Über eine solche Ventileinrichtung, beispielsweise ein Magnetventil, eine Klappe oder dergleichen, kann das Gehäuse bei Bedarf dicht verschlossen werden.
Hierdurch entsteht der entscheidende Vorteil. Beim Abschalten des
Brennstoffzellensystems wird vorrangig der Wasserstoff aus dem Anodenraum auf den Kathodenraum diffundieren oder durch kleinere Membran- oder Dichtungsleckagen übertreten. Ist im Kathodenraum noch Sauerstoff vorhanden, findet dort solange eine Abreaktion am Kathodenkatalysator statt, bis der Sauerstoff aufgebraucht ist, sofern eine ausreichende Wasserstoffmenge in dem Anodenraum beim Abschalten
vorgehalten/eingebracht worden ist. Die Wasserstoffdiffusion kommt zum Stillstand, wenn die Partialdrücke von Wasserstoff auf Anode und Kathode ausgeglichen sind.
Darüber hinaus kommt es mehr oder weniger parallel dazu, dass-Wasserstoff zuerst aus dem Anoderaum und dann auch aus dem Kathodenraum in die Umgebung des
Brennstoffzellenstapels und damit in das Gehäuse diffundiert. Innerhalb des Gehäuses stellt sich dann ebenfalls eine gewisse Wasserstoffkonzentration ein. Sobald kein Konzentrationsgefälle zwischen dem Gehäuse und dem Inneren des
Brennstoffzellenstapels mehr vorliegt, wird auch dieser Vorgang beendet eine
ausreichende Menge an Wasserstoff in dem Anodenraum beim Abschalten des
Brennstoffzellensystems vorausgesetzt. Es liegt jetzt eine Wasserstoffatmosphäre lieft sowohl im Inneren des Brennstoffzellenstapels als auch in dem Gehäuse vor. Das Brennstoffzellensystem kann dann problemlos, ohne dass dabei die Lebensdauer verringernde Degradationseffekte auftreten, wieder gestartet werden. In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass das Gehäuse aus wenigstens zwei Gehäuseteilen besteht, zwischen welchen eine oder mehrere Gehäusedichtungen angeordnet sind. Dabei ist es ferner vorgesehen, dass die Länge der Gehäusedichtung sehr viel kleiner ist als die Gesamtlänge von Dichtungen in dem
Brennstoffzellenstapel selbst. Durch diesen Unterschied in der Dichtungslänge, welcher bevorzugt größer als ein Faktor von 100, besonders bevorzugt größer als ein Faktor 300 ist, wird sichergestellt, dass die Dichtungslänge zwischen dem Gehäuse und der
Umgebung sehr viel kleiner ist, als die Dichtungslänge zwischen dem Inneren des Brennstoffzellenstapels und dem Gehäuse. Alleine schon durch diesen Unterschied in den Dichtungslängen wird erreicht, dass ein Abdiffundieren von Wasserstoff aus dem Gehäuse bzw. ein Nachdiffundieren von Luft in das Gehäuse weitgehend verhindert wird, da die hierfür zur Verfügung stehende Dichtungslänge sehr viel kleiner als die des Brennstoffzellenstapels selbst ist. In einer besonders günstigen Weiterbildung kann darüber hinaus die Gehäusedichtung aus einem besonders diffusionshemmenden Material gefertigt sein, was bei der Konstruktion des Gehäuses sehr viel leichter zu realisieren ist, als bei der Konstruktion des Brennstoffzellenstapels selbst. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig, da der Haupteffekt bereits durch den Längenunterschied zwischen den Gehäusedichtungen und den Dichtungen des Brennstoffzellenstapels erzielt wird.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sieht es außerdem vor, dass das Gehäuse mit einem Ventil versehen wird, dass bei
entsprechendem Überschreiten von Druckdifferenzen gegenüber Atmosphäre (Unter- und/oder Überdruck), entsprechend öffnet, um diese Druckdifferenzen zu begrenzen. So eine Einrichtung kann sinnvoll sein, wenn sehr gewichts- und platzsparende Gehäuse mit einer geringen mechanischen Stabilität eingesetzt werden sollen. Es wird allerdings davon ausgegangen, dass diese Druckdifferenzen kleiner oder viel kleiner 0,1 bar betragen und auf so ein Ventil gegebenenfalls verzichtet werden kann, beziehungsweise nur eine Druckrichtung abgesichert werden muss.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es außerdem vorgesehen sein, dass in dem Gehäuse eine katalytische
Rekombinationseinrichtung zur Umsetzung von Wasserstoff, insbesondere mit Sauerstoff, vorhanden ist. Eine solche Rekombinationseinrichtung kann insbesondere zur Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff an einem hierfür geeigneten Katalysator in dem Gehäuse vorgesehen werden. Bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem gegenüber der Umgebung abdichtbaren Gehäuse für den Fall des Stillstands des Brennstoffzellensystems hat diese Rekombinationseinrichtung den entscheidenden Vorteil, dass Sauerstoff durch den aus dem Anodenraum in das
Gehäuse gelangenden Wasserstoff aufgebraucht wird, sodass sich kein kritisches Wasserstoff/Sauerstoff-Gemisch bilden kann und insgesamt nach einer gewissen Stillstandszeit überall derselbe Wasserstoffpartialdruck bzw. dieselbe
Wasserstoffkonzentration vorliegt. Hierdurch können Diffusionsvorgänge weitgehend zum Stillstand gebracht werden und es kann sichergestellt werden, dass über einen sehr langen Zeitraum von vielen Stunden hinweg eine Wasserstoffatmosphäre in dem
Gehäuse und vor allem in dem genannten Brennstoffzellenstapel aufrechterhalten wird, ohne das es zu einem zündfähigen Wasserstoff-/Sauerstoff-Gemisch im Gehäuse kommt. Hierdurch ist ein Starten des Brennstoffzellensystems ohne kritische die
Lebensdauer beeinträchtigende Vorgänge jederzeit möglich.
Besonders effizient ist dies, wenn ein Nachströmen von Luft in den Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels verhindert wird. Deshalb kann es, wie im eingangs genannten Stand der Technik ausgeführt, vorgesehen sein, dass ein Systembypassventil und/oder bevorzugt der Einsatz von Absperrventileinrichtungen in der Zuluftleitung und der Abluftleitung vorgesehen sind Durch diese Maßnahmen kann das Eindringen von
Sauerstoff nach Abschalten des Systems reduziert oder gänzlich verhindert werden. Damit kann der Effekt bei Einsatz einer relativ geringen Wasserstoff-Überschussmenge noch weiter verbessert und der Zeitraum, über den eine Wasserstoffatmosphäre in dem Brennstoffzellenstapel und dem Gehäuse aufrechterhalten werden kann, deutlich erhöht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abschalten eines derartigen
Brennstoffzellensystems ist es entsprechend vorgesehen, dass die Ventileinrichtung in der wenigstens einen Belüftungsverbindung geschlossen wird. Die Luftzufuhr zu dem Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels wird abgestellt und die ungewollte Luftzufuhr, z. B. aufgrund von Konvektion oder durch Außenwind verursachtem Luftstrom, durch Schließen des Lufteingangs und/oder des Luftausgangs zumindest vermindert oder vollständig verhindert, wonach Wasserstoff bis zu einem vorgegebenen Druck oder ein vorgegebenes Wasserstoffvolumen in den Anodenraum des Brennstoffzellenstapels geleitet wird. Das Abschalten des Brennstoffzellensystems kann so sehr einfach und effizient erfolgen. Durch das Einleiten von Wasserstoff bis zu einem vorgegebenen Druck oder das Einleiten eines vorgegebenen Wasserstoffvolumens, entsteht in dem Bereich des Anodenraums ein gewisser Wasserstoffüberschuss, respektive ein Überdruck. Im Laufe der Zeit nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems kann der Wasserstoff dann in der oben beschriebenen Art und Weise sowohl in den Kathodenraum als auch in das Gehäuse gelangen. Nach einer gewissen Zeit stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, sodass eine Wasserstoffatmosphäre sowohl im Inneren der Brennstoffzelle selbst als auch in dem Gehäuse vorliegt, welche so über einen sehr langen Zeitraum hinweg ohne eine weitere Zugabe von Wasserstoff oder eine andersartige Überwachung des
Brennstoffzellensystems aufrechterhalten werden kann. Hierdurch kann über einen vergleichsweise langen Stillstandszeitraum vom idealerweise mehr als 10 bis 24 Stunden hinweg sichergestellt werden, dass im Falle eines Wiederstarts immer Bedingungen vorliegen, welche einen Wiederstart ohne eine Schädigung der Brennstoffzelle ermöglichen bzw. eine Verringerung der Lebensdauer der Brennstoffzelle verhindern .
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass vor oder während der Zufuhr von Wasserstoff der im Kathodenraum befindliche Sauerstoff zumindest teilweise abgereichert wird. Eine solche Sauerstoffabreicherung ist sicherlich ein Vorteil, jedoch im Prinzip nicht zwingend notwendig. Sie ermöglicht jedoch, beispielsweise durch ein elektrisches„Aufbrauchen" des Restsauerstoffs im Kathodenraum, einen sehr viel kürzeren Zeitraum, bis sich die gewünschten Gleichgewichtsbedingungen einstellen, sodass insgesamt schneller und mit einer geringeren Menge an Wasserstoff ein vorteilhafter Zustand des
Brennstoffzellenstapels bzw. des gesamten Brennstoffzellensystems, hinsichtlich einem späteren Wiederstart, erzielt werden kann.
Eine besonders bevorzugte Verwendung des Brennstoffzellensystems liegt in der Anwendung in einem Fahrzeug, in dem es zur Bereitstellung von Antriebsleistung dient. Die Antriebsleistung kann dabei ganz oder zumindest teilweise durch das
Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden. Insbesondere solche
Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugen sind einerseits einem häufigen Abstellen und Wiederstarten ausgesetzt und müssen andererseits einfach, effizient und sehr sicher konstruiert werden. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems und das besonders vorteilhafte Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems, welches einen Wiederstart ohne nennenswerte Degradation ermöglicht, ist daher vor allem für die Anwendung in einem Fahrzeug geeignet, da hier alle Vorteile der Erfindung besonders stark zum Tragen kommen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems sowie des Verfahrens zum Abschalten eines derartigen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
Die einzige beigefügte Figur zeigt ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung in einem Fahrzeug.
In der einzigen beigefügten Figur ist ein Fahrzeug 1 schematisch angedeutet. Zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für das Fahrzeug 1 ist ein
Brennstoffzellensystem 2 vorgesehen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei ein Brennstoffzellenstapel 3, welcher in an sich bekannter Art und Weise aus einer Vielzahl von Einzelzellen in PEM-Technologie aufgebaut ist. Jede dieser Einzelzellen weist dabei einen Kathodenbereich, einen Anodenbereich und einen Kühlwasserbereich auf. Für die Erläuterung der Erfindung sind insbesondere die Anodenbereiche und die Kathodenbereiche relevant. In der dargestellten Figur sind daher lediglich ein
Anodenraum 4 und ein Kathodenraum 5 mit einer dazwischen angeordneten
Protonenaustauschmembran 6 prinzipmäßig angedeutet. Sie stehen stellvertretend für die Vielzahl der Anodenbereiche, Kathodenbereiche und Protonenaustauschmembranen in dem Brennstoffzellenstapel 3. Der Brennstoffzellenstapel 3 ist in einem Gehäuse 7 angeordnet, welches aus einem ersten Gehäuseteil 7.1 und einem zweiten Gehäuseteil 7.2, zum Beispiel einem Gehäusedeckel besteht. Zwischen den Gehäuseteilen 7.1 , 7.2 ist eine hier nicht erkennbare Gehäusedichtung angeordnet. Das Gehäuse 7 weist außerdem zwei Belüftungsverbindungen 8, 9 auf. Die Belüftungsverbindung 8 ist als Belüftungszuleitung 8 ausgeführt und ist beispielsweise über einen hier angedeuteten Luftfilter 10 mit der Umgebung des Gehäuses 7 verbunden. Die zweite
Belüftungsverbindung 9 ist als Belüftungsabteilung 9 ausgeführt, und mündet in eine Zuluftleitung zum Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3, und zwar in
Strömungsrichtung vor einem Verdichter 11 als Luftfördereinrichtung. Es sind aber auch andere Ableitungswege denkbar. Während des Betriebs des Verdichters 1 1 als Luftfördereinrichtung kommt es hierdurch zu einer ständigen Durchströmung des
Gehäuses 7, da aus der Umgebung des Gehäuses 7 Luft über den Luftfilter 10 und die Belüftungszuleitung 8 angesaugt und über die Belüftungsableitung 9 wieder aus dem Gehäuse 7 abgesaugt wird. Das Gehäuse wird dadurch ständig von einem Luftstrom durchströmt. Eventuell aus dem Brennstoffzellenstapel 3 austretender Wasserstoff wird so während des Betriebs zusammen mit der Zuluft angesaugt und kann am Katalysator des Kathodenraums 5 mit dem Sauerstoff abreagieren und wird hierdurch unschädlich gemacht. Alternative Ausführungen der Gehäusebelüftung sind für den Fachmann aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und können hier ebenfalls eingesetzt werden. Entscheidend ist es lediglich, dass eine Belüftung des Gehäuses 7 vorgesehen ist, welche wenigstens eine Belüftungsverbindung 8, 9 aufweist, wovon, falls beide vorhanden, wenigstens eine davon eine Ventileinrichtung aufweist.
Wie bereits erwähnt, wird über eine Luftfördereinrichtung 1 1 Luft als Sauerstofflieferant in den Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels gefördert. Dem Anodenraum 4 des Brennstoffzellenstapels 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 12 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt über ein Druckregel- und Dosierventil 13 in den Bereich des Anodenraums 4. In an sich bekannter Art und Weise wird nicht verbrauchter Wasserstoff über eine Rezirkulationsleitung 14 und eine Gasstrahlpumpe als
Rezirkulationsfördereinrichtung 15 zurückgeführt und durch den frisch zudosierten Wasserstoff als Treibgasstrom angesaugt. Es sind allerdings auch andere
Rezirkulationsfördereinrichtungen denkbar. Wesentlich ist, dass der Anodenraum mit Rezirkulation üblicherweise einen gegenüber Atmosphäre geschlossenen Raum darstellt, der auch nach Abschaltung des Systems abgeschlossen bleibt. Der nicht verbrauchte Wasserstoff nach dem Anodenraum 4 wird also im Kreislauf geführt und kann so nach und nach aufgebraucht werden. Dieser sogenannte Anodenkreislauf bzw. Anodenloop ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Er ist hier sehr stark vereinfacht dargestellt. In der Realität wird er außerdem über Wasserabscheider, Ablassventile und dergleichen verfügen. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und deshalb nicht dargestellt. Diese Elemente können jedoch, wie es für den Fachmann allgemein bekannt und üblich ist, in dem Anodenkreislauf angeordnet sein.
Das Gehäuse 7 um den Brennstoffzellenstapel 3 ist bis auf die Belüftungsleitungen 8, 9 möglichst gasdicht ausgebildet und an seiner Abdichtstelle zwischen den Gehäuseteilen 7.1 und 7.2 mit einer möglichst kurzen Dichtungslänge konstruiert. Die Länge der Gehäusedichtung zwischen den Gehäuseteilen 7.1 und 7.2 ist dabei insbesondere wesentlich kürzer als die Länge der Dichtungen zwischen den Einzelzellen des
Brennstoffzellenstapels 3 bzw. den Kathodenbereichen und Anodenbereichen und der Umgebung des Brennstoffzellenstapels 3. Beispielsweise kann bei einem 100 kW
Brennstoffzellenstapel 3 eine Dichtungslänge innerhalb des Stapels von insgesamt ca. 400 - 600 m vorliegen. Die Länge der Dichtungen teilt sich dabei relativ gleichmäßig zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite auf. Wird beispielsweise die
Gehäusedichtung zwischen den Gehäuseteilen 7.1 und 7.2 mit einer Gesamtlänge von ca. 1 m ausgeführt, dann entsteht ein erheblicher Unterschied in der Länge der
Dichtungen. Dadurch kommt es auch zu eine sehr viel geringeren Aus-Diffusion von Wasserstoff, falls dieser in dem Gehäuse 7 vorliegt, beziehungsweise Ein-Diffusion von Sauerstoff durch die Gehäusedichtung, als durch die Dichtungen des
Brennstoffzellenstapels. Hierdurch wird eine hohe Dichtheit des Systems aus
Brennstoffzellenstapel 3 und Gehäuse 7, auch gegenüber Wasserstoff erzielt. Darüber hinaus kann die Gehäusedichtung, falls es die Konstruktion zulässt, aus einem besonders diffusionshemmenden Material gefertigt sein. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig, da der Haupteffekt durch den Längenunterschied zwischen der Gesamtlänge der
Dichtungen des Brennstoffzellestapels 3 und der sehr viel kürzeren Gehäusedichtung erzielt wird.
Die Vorgehensweise beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 2 in dem Fahrzeug 1 ist nun die Folgende: Zuerst wird, wie es allgemein bekannt und üblich ist, die Zufuhr von Luft durch ein Abstellen der Luftfördereinrichtung 11 in an sich bekannter Art und Weise unterbunden. Bei weiterhin erfolgender Wasserstoffversorgung kann insbesondere der restliche in dem System verbleibende Sauerstoff durch eine weitere Entnahme von elektrischer Leistung, und beispielsweise Einspeicherung in einer Batterie, aufgebraucht werden. In diesem Idealfall liegt dann in dem Kathodenraum 5 eine an Sauerstoff abgereicherte Atmosphäre vor. Dies ist für das Verfahren jedoch nicht zwingend notwendig. Gleichzeitig oder anschließend sollte die Möglichkeit der Zufuhr von frischem Sauerstoff beispielsweise durch Konvektionseffekte oder Windeffekte verhindert oder vermindert werden. Dies kann beispielsweise durch einen Systembypass erfolgen, wie im eingangs genannten Stand der Technik erwähnt. Dies kann jedoch insbesondere sehr effizient durch die im Ausführungsbeispiel dargestellten Absperrventileinrichtungen 16, 17 in der Zuluftleitung zu dem Kathodenraum 5 und in der Abluftleitung aus dem
Kathodenraum 5 erfolgen. Eine Verbesserung bezüglich der beschriebenen Schädigung beim Wiederstart kann jedoch auch schon erzielt werden, wenn entweder eine
Absperrventileinrichtung in der Zuluftleitung 16 oder eine Absperrventileinrichtung in der Abluftleitung 17 vorhanden ist und nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems 1 geschlossen wird.
Gleichzeitig mit dem Abstellen der Luftfördereinrichtung 11 werden Ventileinrichtungen 18, 19 in den Belüftungsverbindungen 8, 9 verschlossen. Eine Verbesserung bezüglich der beschriebenen Schädigung beim Wiederstart kann jedoch auch schon erzielt werden, wenn entweder eine Absperrventileinrichtung in der Belüftungs-Zuluftleitung 18 oder eine Absperrventileinrichtung in der Belüftungs-Abluftleitung 19 vorhanden ist und nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems 1 geschlossen wird.
Das Gehäuse 7 ist dann gegenüber der Umgebung abgedichtet. Anschließend wird eine auf das System abgestimmte Volumenmenge an Wasserstoff in den Anodenraum 4 dosiert, beispielsweise indem bis zu einem vorgegebenen Druck Wasserstoff dosiert wird. Danach wird auch die Wasserstoffzufuhr, beispielsweise durch das Schließen eines Wasserstoffventils bzw. eines Ventils in der Druckregel- und Dosiereinrichtung 13, abgestellt. Der Druck bzw. das Wasserstoffvolumen werden dabei so vorgegeben, dass in jedem Fall eine Überschussmenge an Wasserstoff in dem Anodenraum 4 vorliegt.
Nach dem Abstellen des Systems kommt es nun dazu, dass dieser überschüssige Wasserstoff durch die Protonenaustauschmembranen 6 in den Kathodenraum 5 diffundiert und dort mit gegebenenfalls noch vorhandenem Sauerstoff am Katalysator der Kathode abreagiert. Über die Dichtungen des Brennstoffzellenstapels 3 diffundiert außerdem Wasserstoff sowohl aus dem Anodenraum 4 als auch aus dem Kathodenraum 5 in das Gehäuse 7. Diese Wasserstoffdiffusion findet dabei solange statt, bis die
Konzentrationen bzw. Partialdrücke im Inneren des Brennstoffzellenstapels 3 und im Inneren des Gehäuses 7 ausgeglichen sind. Die Diffusion an Wasserstoff hört dann auf und es verbleibt eine ausreichende Menge von Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel 3. Die Wasserstoffelektrode wird damit auf dem elektrochemischen Potenzial von 0 V gehalten.
Wenn Sauerstoff in das Gehäuse 7 des Brennstoffzellenstapels 3 hineindiffundiert oder in diesem noch vorhanden ist, kann es insbesondere an einer in dem Gehäuse 7
angeordneten katalytischen Rekombinationseinrichtung 20 zu Wasser rekombinieren, sodass auch hier eventuell vorhandener oder eindiffundierender Sauerstoff zuverlässig aufgebraucht wird, da durch das entstehende Konzentrationsgefälle Wasserstoff aus dem Brennstoffzellenstapel 3 dann in das Gehäuse 7 nachdiffundiert. Durch die
Ventileinrichtungen 18 oder/und 19 in den Belüftungsverbindungen 8, 9 und die vergleichsweise geringe Länge der Gehäusedichtung zwischen den Gehäuseteilen 7.1 und 7.2 wird die Nachdiffusion von Sauerstoff jedoch weitgehend vermieden, sodass eine vollständige Abreicherung des Sauerstoffs in dem Gehäuse 7 auftreten kann. Es kann dabei im Prinzip zu Beginn des Prozesses in dem Gehäuse 7 zum Vorliegen eines entzündlichen oder gar explosiven Gemischs aus Wasserstoff und Sauerstoff kommen. Dies hängt im Wesentlichen von der jeweiligen Diffusionsgeschwindigkeit der Gase und der Volumina sowie eventueller externer Undichtheiten ab. Durch entsprechende
Maßnahmen kann ein aus Sicherheitsgesichtspunkten unkritischer Zustand jedoch leicht eingestellt werden, beispielsweise indem keine Zündquellen in dem Gehäuse 7
vorhanden sind, und/oder indem das Gehäusevolumen so gering gewählt wird, dass die Menge des zündfähigen Gemischs sicherheitstechnisch als unkritisch angesehen wird. Außerdem kann durch die geschickte Anbringung der Rekombinationseinrichtung 20, beispielsweise in Form einer Beschichtung auf der Innenwand des Gehäuses, ein zügiger Abbau des Sauerstoffs gewährleistet werden, was ebenfalls dazu beiträgt, ein Erreichen der Zündgrenze zu jedem Zeitpunkt zu vermeiden.
Im Bereich des Gehäuses 7 kann ein optionales druckabhängig reagierendes Ventil 21 vorgesehen sein. Dieses öffnet, wenn der zulässige Druck in dem Gehäuse 7
überschritten oder unterschritten wird. Dadurch kann, auch beim Aufbrauchen
beziehungsweise Rekombinieren von Gasen innerhalb des Gehäuses 7 oder bei schnellem Gasübertritt von der leicht bedruckten Anode in das Gehäuse sichergestellt werden, dass vorgegebene Druckgrenzen innerhalb des Gehäuses 7 eingehalten werden, sodass Schädigungen des Gehäuses vermieden werden können. Bemerkung zur
Erläuterung: Der Brennstoffzellenstapel ist sehr druckstabil in alle Druckrichtungen ausgelegt. Eine Schädigung im Rahmen der Erfindungsabläufe ist nicht möglich. Das Gehäuse jedoch kann eventuell empfindlich auf Druckunterschiede gegen Atmosphäre sein, vor allem wenn es gewichtssparend und entsprechend dünnwandig ausgeführt ist. Durch das teilweise oder gänzlich dichte Gehäuse mit den Ventileinrichtungen 18 oder/und 19 im Bereich der Belüftungsverbindungen 8, 9 und die sehr viel geringere Länge der Gehäusedichtung gegenüber der Gesamtlänge der Dichtungen in dem
Brennstoffzellenstapel entsteht ein Aufbau, welcher den beschriebenen Zustand, bei dem Wasserstoff sowohl im Inneren des Brennstoffzellenstapels 3 als auch im Inneren des Gehäuses 7 vorhanden ist, über einen sehr langen Zeitraum hinweg aufrechterhalten kann. Versuche haben gezeigt, dass bei herkömmlichen Aufbauten Zeiträume von wenigen Stunden, beispielsweise zwei bis drei Stunden, bekannt und üblich sind. Bei dem hier beschriebenen Aufbau des Brennstoffzellensystems ließen sich sehr viel längere Zeiträume realisieren, beispielsweise Zeiträume von mehr als zehn Stunden bis hin zu mehr als vierundzwanzig Stunden.
Dies gilt insbesondere dann, wenn die Wasserstoffmenge so auf das
Brennstoffzellensystem 1 abgestimmt zudosiert wird, dass sicher und zuverlässig eine Wasserstoffatmosphäre sowohl im Gehäuse 7 als auch in dem Brennstoffzellenstapel 3 vorliegt, ohne dass Wasserstoff nachdosiert werden muss. Dies hat einerseits hinsichtlich des Wasserstoffverbrauchs und andererseits hinsichtlich der Sicherheit Vorteile, da insbesondere ein Nachdosieren von Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem 2 während des Systemstillstands eine unerwünschte Maßnahme darstellt, da das System nach Möglichkeit nicht ohne die Anwesenheit von Bedienpersonal oder eines Fahrers des Fahrzeugs 1 betrieben werden sollte.
Der Vorteil des Aufbaus und des beschriebenen Verfahrens liegt darin, dass schädliche Gaswechsel auf der Anodenseite beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems 2 vermieden werden können, wodurch eine sehr viel längere Lebensdauer des
Brennstoffzellenstapels 3 durch Schonung der edelmetallhaltigen und somit
kostenintensiven Katalysatorelektroden mit sehr einfachen Mitteln und Maßnahmen erzielt werden kann. Anders als bei den Maßnahmen und Aufbauten gemäß dem Stand der Technik lässt sich das Brennstoffzellensystem 2 sehr einfach und effizient realisieren.

Claims

Patentansprüche
Brennstoffzellensystem (2) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (3), welcher in einem Gehäuse (7) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (7) wenigstens eine Belüftungsverbindung (8 9) zur Umgebung oder einem anderen Volumen aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Belüftungsverbindung (8, 9) eine Ventileinrichtung (18, 19) aufweist.
Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (7) aus wenigstens zwei Gehäuseteilen (7.1 , 7.2) besteht, zwischen welchen eine Gehäusedichtung angeordnet ist, wobei die Länge der
Gehäusedichtung sehr viel, bevorzugt um einen Faktor von mehr als 100, besonders bevorzugt um einen Faktor von mehr als 300, kleiner als die
Gesamtlänge von Dichtungen in dem Brennstoffzellenstapel (3) ist.
Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (7) über wenigstens ein druckabhängig öffnendes und/oder schließendes Ventil (21) mit der Umgebung oder einem Ausgleichsvolumen verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Gehäuse (7) eine katalytische Rekombinationseinrichtung (20) zur Umsetzung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser angeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Kathodenraum (5) des Brennstoffzellenstapels (3) mit einer Zuluftleitung und einer Abluftleitung versehen ist, wobei die Zuluftleitung und/oder die Abluftleitung jeweils über eine Absperrventileinrichtung (16 und/oder 17) absperrbar sind.
6. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kathodenraum (5) des Brennstoffzellenstapels (3) mit einer Zuluftleitung und einer Abluftleitung versehen ist, wobei über ein Systembypassventil die Zuluftleitung mit der Abluftleitung verbindbar ist.
7. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (2) nach einem der
Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass nach Abstellen der Luftzufuhr
die Ventileinrichtung (18, 19) in der wenigstens einen Belüftungsverbindung (8, 9) geschlossen wird, und die Luftzufuhr zum Kathodenraum (5) des
Brennstoffzellenstapels (3) abgestellt und die ungewollte Luftzufuhr zumindest vermindert wird, wobei Wasserstoff bis zu einem vorgegebenen Druck oder ein vorgegebenes Wasserstoffvolumen in den Anodenraum (4) des
Brennstoffzellenstapels (3) geleitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor, während und/oder nach der Zufuhr von Wasserstoff der im Kathodenraum (5) befindliche Sauerstoff zumindest teilweise abgereichert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Druck oder das vorgegebene Wasserstoffvolumen zumindest so groß vorgegeben wird, dass in dem
Brennstoffzellenstapel (3) und dem Gehäuse (7) befindlicher Sauerstoff vollständig mit dem Wasserstoff abreagieren kann. Verwendung des Brennstoffzellensystems (2) nach einem der Ansprüche 1 in einem Fahrzeug (1 ) zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung.
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