WO2017102453A1 - Brennstoffzelle - Google Patents

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WO2017102453A1
WO2017102453A1 PCT/EP2016/079924 EP2016079924W WO2017102453A1 WO 2017102453 A1 WO2017102453 A1 WO 2017102453A1 EP 2016079924 W EP2016079924 W EP 2016079924W WO 2017102453 A1 WO2017102453 A1 WO 2017102453A1
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fuel cell
fuel
line
drain line
drain
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PCT/EP2016/079924
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Inventor
Helerson Kemmer
Meik VOSS
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
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    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, and a method for operating a fuel cell, in particular for shutdown operation of the fuel cell.
  • anode lead This is added. This is called an anode lead.
  • a purge valve and a water separator are located in the anode line
  • Water tank must from time to time via a drain valve, eg.
  • a drain valve eg.
  • the excess water can freeze in thin lines of the fuel cell and in the water tank.
  • Fuel cells are used level sensors in the water tank and controlled so that the water tank is emptied as needed. In this case, a certain residual amount of water remain in the water tank. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a fuel cell, in particular a
  • the invention provides a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, which is designed with a cathode air leading cathode line, a fuel-carrying anode line, and a drain line for controlling a water balance of the fuel cell.
  • a fuel sensor or a hydrogen sensor is provided in order to monitor a fuel outlet or a hydrogen outlet from the drain line.
  • the fuel cell is also understood to mean a row of a plurality of fuel cells that are stored in a stack
  • this ambient air containing oxygen may be referred to as the cathode air in motor vehicles, or for stationary
  • the inventive idea is to completely empty the water tank. Also, the inventive idea is to empty the water tank as long and / or free-blow until the water is completely expired, but has come to any, especially critical, fuel outlet or hydrogen leakage from the drain line.
  • the invention recognizes that when emptying the water tank, and after the water has run off completely, it can lead to hydrogen leakage.
  • the invention proposes to monitor the hydrogen leakage at the outlet of the drain line by a hydrogen sensor to immediately interrupt the emptying process when detecting even the smallest, still uncritical concentrations of hydrogen.
  • the advantage can be achieved that no residual water remains in the drain line and in the anode line, which threaten to freeze at low temperatures.
  • a risk of clogging the lines, in particular the drain line and / or the anode line, in the fuel cell can thus be almost eliminated.
  • a safe cold start of the fuel cell can be prepared.
  • Hydrogen in an exhaust air of the fuel cell can be avoided.
  • the drain line can be branched off from the anode line. Furthermore, it can be provided that the drain line can have a water separator, a water tank and a drain valve. Thus, it can advantageously be ensured that the excess water can be removed from the fuel cell, stored temporarily and discharged if necessary. However, it is within the meaning of the invention conceivable that the drain line from the cathode line can be diverted.
  • the fuel sensor may be implemented as an oxygen sensor to a
  • the fuel sensor according to the invention can be arranged at the end of the drain line, in particular behind a water tank.
  • the advantage can be achieved that the fuel sensor or the hydrogen sensor can monitor the output of the drain line, where there are dangerous concentrations of hydrogen for the environment of
  • Fuel cell can come.
  • the drain line can open into the cathode line, in particular at the end of the cathode line.
  • the fuel sensor can be arranged at the end of the cathode line.
  • Monitoring of the escape of hydrogen from the cathode line can be used, which can pass as a result of a purge process in the cathode line. Furthermore, it is thus advantageously possible to utilize an already existing fuel sensor in order to observe the escape of hydrogen within the meaning of the invention during an emptying process.
  • a purge line can be provided for regulating a fuel budget of the fuel cell.
  • the purge line can be used to the
  • Fuel cell in particular the anode of the fuel cell to fill.
  • the purge line can open into the cathode line in order to allow the excess hydrogen to react on the cathode of the fuel cell, or to react the hydrogen with the cathode air up to one
  • a control unit may be provided, which may be designed to interrupt a drain process when a fuel outlet from the drain line exceeds a threshold value.
  • the control unit may be able to automatically monitor the operation, in particular the shutdown operation, of the fuel cell. The control unit can thus automatically ensure a safe shutdown operation.
  • the object of the invention is achieved by a method for operating a fuel cell, in particular for shutdown operation of the fuel cell, wherein the fuel cell with a cathode air leading
  • Cathode line, a fuel-carrying anode line, and a drain line for controlling a water balance of the fuel cell is executed.
  • the method comprises the following steps:
  • Fuel cell can be ensured that the anode line and / or the drain line and the water reservoir in the drain line are completely freed from water to prevent freezing and / or clogging of the lines. It can also be ensured that critical
  • Fuel cell can be increased significantly.
  • the threshold value is between 0.1 and 2%, in particular between 0.5 and 1.5%, or preferably 1%.
  • the advantage can be achieved that critical concentrations of hydrogen in the exhaust air of the fuel cell can be avoided.
  • the steps a) to c) according to the invention are carried out in succession. Thus, the safety in the shutdown operation of the fuel cell can always be guaranteed.
  • the method according to the invention can serve to operate a fuel cell which has been described above.
  • the same advantages can be achieved, which were mentioned in connection with the fuel cell according to the invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell according to the invention according to a
  • FIG 3 shows a flow chart for an operating strategy in a shutdown operation of the fuel cell according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 each show an exemplary embodiment of a fuel cell 1 according to the invention, which, for example, for mobile applications, ie. for applications in motor vehicles, as well as for stationary applications, eg. In generators or as an emergency power supply can be used.
  • a fuel cell 1 finds a cold combustion of fuel, in particular hydrogen, by combining with oxygen, for example. From the normal
  • Ambient air instead.
  • the electrical power is tapped via electrical lines 50 and provided to an electrical system 51, for example.
  • an anode 2 of the fuel cell 1 via an anode line 20 fuel, in particular hydrogen, is supplied, while a cathode 4 of the fuel cell 1 via a cathode line 10 cathode air, in particular filtered ambient air, is supplied.
  • the cathode line 10 has at the entrance to an air filter 11 to the
  • a compressor 12 for example in the form of a nipple, ensures that sufficient air reaches the cathode 4 of the fuel cell 1.
  • a heat exchanger 13 is provided to cool the compressed air or cathode air after passage of the compressor 12 to a suitable temperature.
  • a valve 14 for example.
  • a suitable pressure in the cathode line 10 can be adjusted.
  • the anode line 20 in this case has a fuel or a hydrogen tank 21, which has a shut-off valve 22 for switching off the fuel supply, for example. In case of failure, and a pressure regulator 23 for setting a suitable pressure in the anode line 20.
  • An unused fuel can be mixed by means of a recirculation pump 24, for example. In the form of a jet pump, the fresh fuel.
  • the heat developed during operation of the fuel cell 1 is dissipated via a cooling fluid conducting thermal line 60.
  • the thermal line 50 can again serve to the fuel cell 1 to a preferred
  • the thermal line 50 in this case has a cooler 61 and a recirculation pump 62 in order to absorb and remove the excess heat during operation of the fuel cell 1.
  • a purge line 40 is provided at the end of the anode conduit 20, which serves to control the fuel budget.
  • the purge line 40 with a purge valve 41, for example. In the form of a throttle executed.
  • the Purge line 40 can be used in the start case to free the anode 2 of the fuel cell 1 of air and to fill with fuel, in particular hydrogen.
  • a purge requirement in normal operation may result in the fuel cell 1 to increase the efficiency of the fuel cell.
  • a drain line 30 is also provided at the end of the anode line 20, which serves to regulate the water balance in the fuel cell 1.
  • the drain line 30 has for this purpose a water separator 31 and a water tank 32 to receive the excess water.
  • a drain valve 33 for example in the form of a throttle valve, can be actuated to empty the water tank 32. This is called an emptying process.
  • a complete emptying of the water tank 32 after stopping the fuel cell 1 is important in order to avoid that water remains in the drain line 30 and / or in the water tank 32 and at low
  • the invention provides for monitoring of hydrogen leakage at the end of the drain line 30.
  • the drain line 30, as shown in Figure 1, a fuel sensor 34 and a hydrogen sensor 34 at the end of the drain line 30 have.
  • the drain line 30 opens into the cathode line 10.
  • the drain line 30 may have a separate output.
  • the drain line 30, as shown in Figure 2 open into the cathode line 10, wherein the monitoring of the hydrogen leakage can take place by a fuel sensor 34 at the end of the cathode line 10.
  • FIG. 3 shows an operating strategy for a shutdown operation of the fuel cell 1 in order to prepare a safe cold start of the fuel cell 1.
  • step 100 a shutdown operation of the fuel cell 1 initiated.
  • step 101 the drain valve 33 for
  • step 102 if it is detected that an unobjectionable threshold of, for example, 1% has been exceeded, closing of the drain valve 103 is actuated in step 103.
  • the invention makes it possible that the hydrogen concentration does not reach the critical value and that certainly no water residues remain in the drain line 30, which can make the cold start difficult.
  • Fuel sensor 34 may be configured as an oxygen sensor 34 to monitor an oxygen leakage from the drain line 30, which can be interpreted as a sign that the complete water from the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1), insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung (10), einer Brennstoff führenden Anodenleitung (20), und einer Drain-Leitung (30) zum Regeln eines Wasserhaushalts der Brennstoffzelle (1). Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Brennstoffsensor (34) vorgesehen ist, um einen Brennstoffaustritt aus der Drain-Leitung (30) zu überwachen.

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere zum Shutdown-Betrieb der Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Gegenüber insbesondere Verbrennungsmotoren weisen elektrische Energiequellen, insbesondere in Form von Brennstoffzellen, den Vorteil auf, dass sie normalerweise keine, insbesondere gesundheitsschädlichen Abgase beim Betrieb produzieren. In der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle findet eine kalte Verbrennung z B. vom Wasserstoff durch die Verbindung mit dem Sauerstoff der Kathodenluft statt. Dafür wird einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt, während einer Kathode Luft, beispielsweise Umgebungsluft, zugeführt wird. Für die Speicherung des Wasserstoffes wird ein Hochdrucktank verwendet. Nach dem Tank und i.d. R. nach zwei Reduzierungsstufen wird der Wasserstoff in die Anode überstöchiometrisch hineindosiert. Der Überschuss an Wasserstoff wird z. B. durch eine Rezirkulationspumpe dem frischen Wasserstoff
beigemischt. Dabei spricht man von einer Anodenleitung. Zudem befinden sich in der Anodenleitung ein Purgeventil sowie ein Wasserabscheider samt
Wasserbehälter für die Entfernung von Wasserüberschüssen. Der
Wasserbehälter muss von Zeit zu Zeit über ein Drain-Ventil, bspw. in die
Abluftleitung, entleert werden.
Beim Betrieb unter niedrigen Temperaturen kann das überschüssige Wasser in dünnen Leitungen der Brennstoffzelle sowie im Wasserbehälter gefrieren.
Daraus resultiert eine Verstopfungsgefahr der Leitungen. In bekannten Brennstoffzellen werden Pegelsensoren im Wasserbehälter eingesetzt und derart angesteuert, dass der Wasserbehälter nach Bedarf geleert wird. Dabei kann eine bestimmte Restmenge an Wasser im Wasserbehälter verbleiben. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht eine Brennstoffzelle, insbesondere eine
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit den Merkmalen des unabhängigen
Vorrichtungsanspruches und ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere zum Shutdown-Betrieb der Brennstoffzelle, mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Hierdurch werden eine verbesserte Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, sowie ein sicheres Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere zum
Shutdown-Betrieb der Brennstoffzelle, erzielt. Zudem wird dadurch ein Gefrieren des Wasserbehälters und/oder der dünnen Leitungen der Brennstoffzelle vermieden und die Verstopfungsgefahr zuverlässig verhindert. Folglich kann ein Kaltstart der Brennstoffzelle zuverlässig sichergestellt werden. Weiterhin wird dadurch ein Entleer-Vorgang des Wasserbehälters optimiert und die Gefahr gemindert, dass aus einer Drain-Leitung Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, in hohen Konzentrationen austritt. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die Erfindung stellt eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle, bereit, die mit einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung, einer Brennstoff führenden Anodenleitung, und einer Drain-Leitung zum Regeln eines Wasserhaushalts der Brennstoffzelle ausgeführt ist. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Brennstoffsensor bzw. ein Wasserstoffsensor vorgesehen ist, um einen Brennstoffaustritt bzw. einen Wasserstoffaustritt aus der Drain-Leitung zu überwachen. Unter der Brennstoffzelle wird hierbei auch eine Reihe an mehreren Brennstoffzellen verstanden, die in einem Stapel bzw. in einem so genannten„Stack" in Reihe geschaltet werden können. In der Kathodenleitung wird meistens Umgebungsluft eingesaugt, wobei im Sinne der Erfindung diese Sauerstoff enthaltene Umgebungsluft als die Kathodenluft bezeichnet werden kann. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle kann dabei für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre
Anwendungen, wie bspw. in Notstromversorgung und/oder als ein Generator, verwendet werden.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, den Wasserbehälter vollständig zu entleeren. Auch liegt der Erfindungsgedanke darin, den Wasserbehälter so lange zu entleeren und/oder freizublasen, bis das Wasser komplett abgelaufen ist, aber noch zu keinem, insbesondere kritischen, Brennstoffaustritt bzw. Wasserstoffaustritt aus der Drain-Leitung gekommen ist. Die Erfindung erkennt dabei, dass es beim Entleeren des Wasserbehälters, und nachdem das Wasser vollständig abgelaufen ist, zu einem Wasserstoffaustritt kommen kann. Die Erfindung schlägt dabei vor, den Wasserstoffaustritt am Ausgang der Drain-Leitung durch einen Wasserstoffsensor zu überwachen, um beim Feststellen bereits kleinster, noch unkritischer Konzentrationen von Wasserstoff den Entleer-Vorgang sofort zu unterbrechen. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass keine Wasserrückstände in der Drain-Leitung und in der Anodenleitung hinterbleiben, die bei niedrigen Temperaturen zu gefrieren drohen. Eine Verstopfungsgefahr der Leitungen, insbesondere der Drain-Leitung und/oder der Anodenleitung, in der Brennstoffzelle kann somit nahezu eliminiert werden. Somit kann ein sicherer Kaltstart der Brennstoffzelle vorbereitet werden. Des Weiteren ist es von Vorteil, dass ungewollte Wasserstoff- Emissionen bei einem Entleer-Vorgang der Drain- Leitung unterbunden werden, und dass kritische Konzentrationen von
Wasserstoff in einer Abluft der Brennstoffzelle vermieden werden.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass die Drain-Leitung von der Anodenleitung abgezweigt sein kann. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Drain-Leitung einen Wasserabscheider, einen Wasserbehälter und ein Drain- Ventil aufweisen kann. Somit kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass das überschüssige Wasser aus der Brennstoffzelle abtransportiert, zwischengespeichert und bei Bedarf abgelassen werden kann. Gleichwohl ist es aber im Sinne der Erfindung denkbar, dass die Drain-Leitung aus der Kathodenleitung abgezweigt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Brennstoffsensor als ein Sauerstoffsensor ausgeführt sein, um einen
Sauerstoffaustritt aus der Drain-Leitung zu überwachen, welcher auftreten kann, wenn das komplette Wasser aus dem Wasserbehälter abgelassen wurde.
Vorteilhafterweise kann der erfindungsgemäße Brennstoffsensor am Ende der Drain-Leitung, insbesondere hinter einem Wasserbehälter, angeordnet sein. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass der Brennstoffsensor bzw. der Wasserstoffsensor den Ausgang der Drain-Leitung überwachen kann, wo es zu gefährlichen Konzentrationen des Wasserstoffs für die Umgebung der
Brennstoffzelle kommen kann.
Ferner kann es im Sinne der Erfindung denkbar sein, dass die Drain-Leitung in die Kathodenleitung, insbesondere am Ende der Kathodenleitung, münden kann. Zudem kann es im Sinne der Erfindung denkbar sein, dass der Brennstoffsensor am Ende der Kathodenleitung angeordnet sein kann. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass der Brennstoffsensor multifunktional eingesetzt werden kann. Hierbei ist es denkbar, dass der Brennstoffsensor außerdem zur
Überwachung des Austrittes von Wasserstoff aus der Kathodenleitung eingesetzt werden kann, welcher in Folge eines Purge-Vorganges in die Kathodenleitung gelangen kann. Weiterhin kann somit vorteilhafterweise ein bereits vorhandener Brennstoffsensor ausgenutzt werden, um im Sinne der Erfindung während eines Entleer- Vorganges den Wasserstoffaustritt zu beobachten.
Weiterhin kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Purge- Leitung zum Regeln eines Brennstoffhaushalts der Brennstoffzelle vorgesehen sein kann. Die Purge-Leitung kann dabei dazu genutzt werden, um die
Brennstoffzelle, insbesondere die Anode der Brennstoffzelle, zu füllen. Hierbei ist es denkbar, dass die Purge-Leitung in die Kathodenleitung münden kann, um den überschüssigen Wasserstoff an der Kathode der Brennstoffzelle abreagieren zu lassen, oder um den Wasserstoff mit der Kathodenluft bis zu einer
unkritischen Konzentration zu verdünnen. Die Purge-Leitung kann dabei ebenfalls von der Anodenleitung abgezweigt sein und parallel zur Drain-Leitung verlaufen. Vorteilhafterweise kann gemäß der Erfindung eine Steuereinheit vorgesehen sein, die dazu ausgelegt sein kann, einen Drain-Vorgang zu unterbrechen, wenn ein Brennstoffaustritt aus der Drain-Leitung einen Schwellwert übersteigt. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass somit die Steuereinheit den Betrieb, insbesondere den Shutdown-Betrieb, der Brennstoffzelle automatisch überwachen kann. Die Steuereinheit kann somit einen sicheren Shutdown-Betrieb automatisch gewährleisten.
Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere zum Shutdown-Betrieb der Brennstoffzelle gelöst, wobei die Brennstoffzelle mit einer Kathodenluft führenden
Kathodenleitung, einer Brennstoff führenden Anodenleitung, und einer Drain- Leitung zum Regeln eines Wasserhaushalts der Brennstoffzelle ausgeführt ist. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) Einleiten eines Entleer-Vorganges,
b) Überwachen eines Brennstoffaustritts aus der Drain-Leitung,
c) Unterbrechen des Entleer-Vorganges, wenn ein Brennstoffaustritt aus der Drain-Leitung einen Schwellwert übersteigt.
Vorteilhafterweise kann dadurch im Shutdown-Betriebszustand der
Brennstoffzelle sichergestellt werden, dass die Anodenleitung und/oder die Drain-Leitung sowie der Wasserspeicher in der Drain-Leitung vollständig vom Wasser befreit werden, um ein Gefrieren und/oder Verstopfen der Leitungen zu vermeiden. Auch kann somit sichergestellt werden, dass kritische
Konzentrationen des Wasserstoffes am Ausgang der Drain-Leitung vermieden werden. Folglich kann nach einem besonderen Vorteil der Erfindung die
Sicherheit im Betrieb der Brennstoffzelle und die Lebensdauer der
Brennstoffzelle erheblich erhöht werden.
Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Schwellwert zwischen 0,1 und 2 %, insbesondere zwischen 0,5 und 1,5 % liegt, oder bevorzugt 1% betragen kann. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass kritische Konzentrationen von Wasserstoff in der Abluft der Brennstoffzelle vermieden werden. Des Weiteren kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäßen Schritte a) bis c) nacheinander ausgeführt werden. Somit kann die Sicherheit im Shutdown-Betrieb der Brennstoffzelle stets gewährleistet werden.
Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle dienen, die oben beschrieben wurde. Dabei können die gleichen Vorteile erreicht werden, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle erwähnt wurden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle gemäß einem
Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 die erfindungsgemäße Brennstoffzelle gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel, und
Fig. 3 ein Flussdiagramm für eine Betriebsstrategie in einem Shutdown- Betrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben
Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die Figuren 1 und 2 zeigen dabei jeweils ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1, die bspw. für mobile Anwendungen, d h. für Anwendungen in Kraftfahrzeugen, sowie für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren oder als Notstromversorgung, genutzt werden kann. In der Brennstoffzelle 1 findet eine kalte Verbrennung von Brennstoff, insbesondere von Wasserstoff, durch Verbinden mit Sauerstoff, bspw. aus der normalen
Umgebungsluft, statt. Die elektrische Leistung wird dabei über elektrische Leitungen 50 abgegriffen und an ein elektrisches Bordnetzt 51, bspw. in einem Kraftfahrzeug, bereitgestellt. Dafür wird einer Anode 2 der Brennstoffzelle 1 über eine Anodenleitung 20 Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zugeführt, während einer Kathode 4 der Brennstoffzelle 1 über eine Kathodenleitung 10 Kathodenluft, insbesondere gefilterte Umgebungsluft, zugeführt wird.
Die Kathodenleitung 10 weist am Eingang einen Luftfilter 11 auf, um die
Umgebungsluft entsprechend den Erfordernissen der Brennstoffzelle 1 zu filtern. Ein Verdichter 12, bspw. in Form eines Saugers, sorgt dafür, dass ausreichend Luft zur Kathode 4 der Brennstoffzelle 1 gelangt. Ein Wärmetauscher 13 ist vorgesehen, um die verdichtete Luft bzw. Kathodenluft nach Durchgang des Verdichters 12 auf eine geeignete Temperatur abzukühlen. Mit Hilfe eines Ventils 14, bspw. in Form einer Drosselklappe, am Ausgang der Kathodenleitung 10 kann ein geeigneter Druck in der Kathodenleitung 10 eingestellt werden.
Die Anodenleitung 20 weist dabei einen Brennstoff- bzw. einen Wasserstofftank 21, welcher über ein Absperrventil 22 zum Abschalten der Brennstoffversorgung, bspw. in einem Fehlerfall, verfügt, und einen Druckregler 23 zum Einstellen eines geeigneten Druckes in der Anodenleitung 20 auf. Ein unverbrauchter Brennstoff kann mittels einer Rezirkulationspumpe 24, bspw. in Form einer Strahlpumpe, dem frischen Brennstoff beigemischt werden.
Die im Betrieb der Brennstoffzelle 1 entwickelte Wärme wird über eine Kühlfluid führende Thermalleitung 60 abgeführt. Im Startfall kann die Thermalleitung 50 wiederum dazu dienen, um die Brennstoffzelle 1 auf eine bevorzugte
Betriebstemperatur zu erwärmen. Die Thermalleitung 50 weist dabei einen Kühler 61 und eine Rezirkulationspumpe 62 auf, um die überschüssige Wärme beim Betrieb des Brennstoffzelle 1 aufzunehmen und abzutransportieren.
Eine Purge-Leitung 40 ist am Ende der Anodenleitung 20 vorgesehen, die zum Regeln des Brennstoffhaushaltes dient. Hierzu ist die Purge-Leitung 40 mit einem Purge-Ventil 41, bspw. in Form einer Drosselklappe, ausgeführt. Die Purge-Leitung 40 kann im Startfall dazu dienen, die Anode 2 der Brennstoffzelle 1 von Luft zu befreien und mit Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zu füllen. Außerdem kann sich ein Purge-Bedarf im Normalbetrieb die Brennstoffzelle 1 ergeben, um die Effizienz der Brennstoffzelle zu erhöhen.
Eine Drain-Leitung 30 ist ebenfalls am Ende der Anodenleitung 20 vorgesehen, die zum Regeln des Wasserhaushaltes in der Brennstoffzelle 1 dient. Die Drain- Leitung 30 weist hierzu einen Wasserabscheider 31 und einen Wasserbehälter 32 auf, um das überschüssige Wasser aufzunehmen. Ein Drain-Ventil 33, bspw. in Form einer Drosselklappe, kann betätigt werden, um den Wasserbehälter 32 zu entleeren. Dabei spricht man von einem Entleer-Vorgang.
Ein vollständiges Entleeren des Wasserbehälters 32 nach dem Abstellen der Brennstoffzelle 1 ist wichtig, um zu vermeiden, dass Wasserreste in der Drain- Leitung 30 und/oder im Wasserbehälter 32 verbleiben und bei niedrigen
Temperaturen gefrieren. Auch kann dadurch ein Verstopfen der Drain-Leitung 30 verhindert werden. Um sicherzustellen, dass das Wasser komplett abgelaufen ist und dass im Wasserbehälter 32 keine Wasserreste geblieben sind, sieht die Erfindung eine Überwachung eines Wasserstoffaustrittes am Ende der Drain- Leitung 30 vor.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Drain-Leitung 30, wie gezeigt in der Figur 1, einen Brennstoffsensor 34 bzw. einen Wasserstoffsensor 34 am Ende der Drain-Leitung 30 aufweisen. Hierbei ist es nur beispielhaft gezeigt, dass die Drain-Leitung 30 in die Kathodenleitung 10 mündet. Gleichwohl kann die Drain-Leitung 30 einen separaten Ausgang aufweisen.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Drain-Leitung 30, wie gezeigt in der Figur 2, in die Kathodenleitung 10 münden, wobei die Überwachung des Wasserstoffaustrittes durch einen Brennstoffsensor 34 am Ende der Kathodenleitung 10 stattfinden kann.
Die Figur 3 zeigt schließlich eine Betriebsstrategie für einen Shutdown-Betrieb der Brennstoffzelle 1, um einen sicheren Kaltstart der Brennstoffzelle 1 vorzubereiten. Im Schritt 100 wird ein Shutdown-Betrieb der Brennstoffzelle 1 eingeleitet. Hierzu wird im nächsten Schritt 101 das Drain-Ventil 33 zur
Entleerung des Wasserbehälters 32 geöffnet. Solange noch Wasser ausfließt, ist ein Wasserstoffaustritt vermieden. Sobald das Wasser ausgelaufen ist, kommt Wasserstoff durch das Drain-Ventil 33 durch. Dieser führt zu einer Erhöhung der Wasserstoffkonzentration am Ende der Drain-Leitung 30, welche mittels des Brennstoffsensors 34 überwacht wird. Im Schritt 102, wenn eine Überschreitung einer noch unbedenklichen Schwelle von bspw. 1% detektiert wird, wird im Schritt 103 ein Schließen des Drain-Ventils 103 angesteuert. Somit ermöglicht die Erfindung, dass die Wasserstoffkonzentration den kritischen Wert nicht erreicht und dass sicher keine Wasserrückstände in der Drain-Leitung 30 verbleiben, die den Kaltstart erschweren können.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren 1 bis 3 beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso ist es im Sinne der Erfindung denkbar, dass die Drain-Leitung 30 in der Kathodenleitung 10 vorgesehen sein kann, wobei in diesem Falle der
Brennstoffsensor 34 als ein Sauerstoffsensor 34 ausgeführt sein kann, um einen Sauerstoffaustritt aus der Drain-Leitung 30 zu überwachen, welcher als Zeichen davon ausgewertet werden kann, dass das komplette Wasser aus dem
Wasserbehälter 32 abgelaufen ist und dass das Drain-Ventil 33 geschlossen werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzelle (1), insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung (10),
einer Brennstoff führenden Anodenleitung (20), und
einer Drain-Leitung (30) zum Regeln eines Wasserhaushalts der
Brennstoffzelle (1),
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Brennstoffsensor (34) vorgesehen ist, um einen Brennstoffaustritt aus der Drain-Leitung (30) zu überwachen.
2. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drain-Leitung (30) von der Anodenleitung (20) abgezweigt ist.
3. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drain-Leitung (30) einen Wasserabscheider (31), einen
Wasserbehälter (32) und ein Drain-Ventil (33) aufweist.
4. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Brennstoffsensor (34) am Ende der Drain-Leitung (30), insbesondere hinter einem Wasserbehälter (32), angeordnet ist.
5. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drain-Leitung (30) in die, insbesondere am Ende der
Kathodenleitung (10) mündet,
insbesondere dass der Brennstoffsensor (34) am Ende der
Kathodenleitung (10) angeordnet ist. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Purge-Leitung (40) zum Regeln eines Brennstoffhaushalts der Brennstoffzelle (1) vorgesehen ist.
Brennstoffzelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, einen Drain- Vorgang zu unterbrechen, wenn ein Brennstoffaustritt aus der Drain- Leitung (30) einen Schwellwert übersteigt.
Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle (1), insbesondere zum
Shutdown-Betrieb der Brennstoffzelle (1), mit
einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung (10),
einer Brennstoff führenden Anodenleitung (20), und
einer Drain-Leitung (30) zum Regeln eines Wasserhaushalts der
Brennstoffzelle (1),
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) Einleiten eines Entleer-Vorganges,
b) Überwachen eines Brennstoffaustritts aus der Drain-Leitung (30), c) Unterbrechen des Entleer-Vorganges, wenn ein Brennstoffaustritt aus der Drain-Leitung (30) einen Schwellwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schwellwert zwischen 0,1 und 2 %, insbesondere zwischen 0,5 und 1,5 % liegt, oder bevorzugt 1% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schritte a) bis c) nacheinander ausgeführt werden,
insbesondere dass das Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dient.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2190051A1 (de) * 2007-09-13 2010-05-26 Daihatsu Motor Co., Ltd. Brennstoffzellensystem
DE102011102336A1 (de) * 2011-05-25 2012-11-29 Daimler Ag Rezirkulationseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem
DE102014002322A1 (de) * 2014-02-19 2015-08-20 Daimler Ag Abgasanlage eines Brennstoffzellensystems

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2190051A1 (de) * 2007-09-13 2010-05-26 Daihatsu Motor Co., Ltd. Brennstoffzellensystem
DE102011102336A1 (de) * 2011-05-25 2012-11-29 Daimler Ag Rezirkulationseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem
DE102014002322A1 (de) * 2014-02-19 2015-08-20 Daimler Ag Abgasanlage eines Brennstoffzellensystems

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